L’AZIONAMENTO2

L’AZIONAMENTO
GLI AZIONAMENTI
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Operazionali
filtri
l’azionamento
trasmissione meccanica
elettronica di potenza
Convertitori
L’OPERAZIONALE: configurazioni principali
• Amplificatore invertente
• amplificatore non invertente
• Inseguitore
• sommatore invertente
• Sommatore non invertente
• differenziale
• Comparatore a finestra
• Comparatori con isteresi
• Trigger di schmith invertente e non invertente
• Convertitore frequenza-tensione
Amplificatore invertente
L’analisi di questo circuito può essere facilitata ricordando che l’impedenza d’ingresso di un
operazionale ideale è infinita.
L’impedenza d’ingresso infinita implica infatti una corrente d’ingresso nulla.
Grazie inoltre al guadagno infinito tra i due ingressi non vi è alcuna caduta di tensione e pertanto,
essendo l’ingresso non invertente a massa, anche la tensione all’ingresso invertente sarà zero.
Per tale motivo si dice che l’ingresso invertente rappresenta una “massa virtuale”, ovvero a tensione
nulla, come l’altro ingresso.
Inoltre, poiché l’impedenza d’ingresso è infinita,
la corrente attraverso Z1 sarà uguale a quella in Z2.
I2
Z2
Z1
VIN
 0V
I1

VIN
VO
I1 = I2
Z2
Z1
IIN = 0
VO
Si noti che le impedenze Z possono essere delle semplici resistenze oppure delle reti
reattive anche complesse: in entrambi i casi varranno le formule d’ora in poi indicate
I2
in sintesi:
I1
VIN
Z2
I1 = VIN / Z1
I2 = -VO /Z2
Z1
VO
IINV = 0
VINV = 0
ma... I2 = I1
e quindi
ingresso
50mV/div
-VO / Z2 = VIN/Z1
da cui
VO / VIN = - Z2/ Z1
e quindi
inversione
del segnale
uscita
2V/div
A V = - Z2 / Z1
guadagno di tensione
ad anello chiuso
Amplificatore non-invertente
Applicando il segnale da amplificare all’ingresso non invertente e collegando le impedenze di retroazione fra
uscita, ingresso invertente e massa, si ottiene lo schema riportato in figura, chiamato amplificatore noninvertente poiché il segnale d’uscita risulta in fase con quello d’ingresso.
VIN
 0V

VO
Z2
Z1
I1 = I2
Per analizzarne il funzionamento occorre partire dai
medesimi presupposti già visti per l’invertente ovvero che,
grazie alla resistenza d’ingresso infinita, risulta IIN = 0. Ne
consegue che Z1 e Z2 sono percorse dalla medesima
corrente.
Ricordando poi che i due ingressi sono al medesimo potenziale
(Av = infinito) si ha che la tensione ai capi di Z1 è uguale al
segnale d’ingresso VIN. Z1·I1=VIN
La tensione d’uscita sarà quindi la somma delle tensioni ai capi di ZI e Z2, ovvero:
Vo = Z1·I1 + Z2·I1 = VIN + Z2·(VIN/Z1) = VIN·(1 + Z2/Z1)
Si può quindi dedurre che il guadagno AV = VO/VIN è dato da:
AV = 1 + Z2 / Z1
Si noti che - in base alla formula ottenuta - il guadagno non potrà mai essere inferiore all’unità, e se si desidera ottenere un
guadagno unitario occorre porre Z2 = 0 oppure Z1 infinita (oppure ancora entrambe le condizioni).
VIN
AV = 1 + Z2 / Z1
VO
Z2
Z1
ingresso
50mV/div
I1 = I2
segnale
amplificato
Questa configurazione presenta un’impedenza d’ingresso
infinita ed una resistenza d’uscita pressochè nulla; per
questo motivo
l’amplificatore non-invertente viene spesso usato come
“buffer” per isolare la sorgente di segnale dal carico, in
modo da evitare “effetti di carico” indesiderati.
uscita
2V/div
Inseguitore
Dalle considerazioni viste a proposito dell’amplificatore non-invertente circa le condizioni che permettono di
ottenere un guadagno unitario, si può disegnare lo schema del cosiddetto “inseguitore”, riportato in figura. A
= 1, z2 = 0, Z1 = ∞
Vin
Vout
si tratta di un circuito in grado di riprodurre in uscita esattamente il
segnale d’ingresso. Esso viene anche definito un “buffer” a guadagno
unitario. Vout = Vin
Spesso occorre infatti separare (si dice anche “disaccoppiare”) il
carico dalla sorgente del
segnale, ad esempio quando
occorre un adattamento di impedenza fra l’uno e l’altro.
Proprio poiché questo circuito non modifica il segnale applicato, a
primo avviso può sembrare che non serva a nulla. In realtà, invece,
. presenta un notevole vantaggio: amplifica la corrente, ed è
esso
quindi in grado di pilotare un carico di bassa impedenza, senza
sovraccaricare la sorgente del segnale, utile qualora essa sia
costituita da un trasduttore in grado di erogare poca corrente
Sommatore invertente
V1
V2
V3
R1
Il circuito detto “sommatore” può essere considerato una
Rf
variante dell’amplificatore invertente, nel caso in cui vengano
applicati più segnali d’ingresso.
R2
R3
Vout
Nella figura a lato è riportato lo schema di un sommatore a
tre ingressi.
R5
Un tipico impiego di questo circuito è ad esempio quello dei mixer audio, dove in
uscita si desidera avere una “miscelazione” di più sorgenti sonore.
Il segnale d’uscita di questo circuito è, istante per istante, proporzionale alla
somma algebrica (cambiata di segno) delle tensioni di ingresso
V1
V2
I1
R1
I2
R2
I3
R3
IT
Funzionamento
RF
Le tensioni V1 V2 V3 applicate agli ingressi danno origine alle
rispettive correnti I1 I2 I3.
0V
V3
VO
R5
IT = I1 + I2 + I3
e poiché:
se R1 = R2 = R3 = Rf
Ovvero:
Grazie all’impedenza di ingresso infinita e al concetto di
“massa virtuale” prima esposti, l’ingresso invertente si trova
all’incirca a 0 V e pertanto nessuna corrente entrerà in tale
ingresso, ma fluirà tutta verso l’uscita.
VO = – IT R F
VO = – ( I1 + I2 + I3 ) ·RF
VO = – ( V1 / R + V2 / R + V3 / R ) R
VO = – (V1 + V2 + V3 )
L’equazione mostra che la tensione d’uscita, istante
per istante, è la somma delle tensioni d’ingresso. Se
gli ingressi fossero n, l’equazione diventerebbe
VO = – (V1 + V2 + ••• + Vn )
Sommatore non invertente
Per analizzarlo, usiamo sovrapposizione degli effetti,
applicando prima il solo ingresso V1:
Se si sceglie R1 = R2 = R si ha subito che:
Poiché gli ingressi non assorbono corrente, le resistenze R1 e R2 risultano collegate in serie per cui La resistenza di
ingresso, scegliendo R1 = R2 = R e pari
a:
Rin = R1 + R2 = 2 R
Amplificatore differenziale
Abbiamo visto che le principali configurazioni di amplificatori in cui il segnale d’ingresso viene applicato
ad un solo ingresso, sono invertente oppure non invertente. Applicando invece i segnali ad entrambi gli
ingressi dell’Op Amp si realizza un particolare tipo di amplificatore, detto “differenziale”, in quanto
amplifica la differenza fra i due segnali.
Per analizzare questo circuito si può
applicare il principio di sovrapposizione
degli effetti, per cui si ha che la tensione
V- misurata all’ingresso invertente vale:
R2
V1
V2
R1
R3
Vo
R4
V- = V1·R2/(R1+R2) + Vo·R1/(R1+R2)
mentre:
V+ = V2·R4/(R3+R4)
ma, grazie all’equipotenzialità degli
ingressi, possiamo porre: V+ = V-
Uguagliando quindi le due espressioni, si può notare in particolare che, se si fa sì che R2/R1 = R4/R3 (ovvero si
realizza un “differenziale bilanciato”) si ottiene che:
Vo = (V2-V1)·R2/R1
ovvero
Ad = Vo/(V1-V2) = R2/R1
Mentre le configurazioni invertente e non-invertente vengono utilizzate con uno degli ingressi a massa,
nell’amplificatore differenziale viene amplificata l’effettiva differenza fra i due segnali V1 e V2, anche se non riferiti a
massa
Quindi, se a V1 e V2 viene applicata la medesima tensione, essa non viene amplificata.
Si noti che i due segnali d’ingresso non
sono
necessariamente continui, bensì la formula prima
ricavata vale anche nel caso in cui V1 e V2 siano
comunque variabili nel tempo.
R3
V1
V2
R1
R2
Vout
R4
Ciò significa che V1 e V2 possono essere anche
segnali fra di loro molto differenti; ad esempio V1
può essere sinusoidale e V2 triangolare, oppure
ancora V1 una tensione continua e V2 un’onda
quadra.
Comparatore a finestra
Questo circuito non può funzionare "a
vuoto" (cioè senza carico), ma solo in
presenza di una resistenza RL
che
garantisce
un
passaggio
di
corrente
sufficiente per polarizzare i due diodi in
zona diretta .
Se Vi risulta maggiore di VH o minore di
VL, uno dei due diodi è in conduzione,
circola una corrente in RL, si ha una
caduta di tensione su di essa, Vo = VoH;
se Vi risulta compresa tra VL e VH,
entrambi i diodi sono interdetti, non
circola corrente in RL, i suoi estremi
sono equipotenziali, Vo = 0
Quando uno dei due diodi conduce in
uscita si ha una Vout= Vsat - Vsoglia
Trigger di Schmitt (comparatore con isteresi)
Generalità
In molte situazioni pratiche, è possibile che sulla linea d’ingresso compaiano delle fluttuazioni di tensione indesiderate (rumore)
Per comprendere meglio le conseguenze negative del rumore in ingresso consideriamo un
segnale sinusoidale a bassa
frequenza applicato all’ingresso di un comparatore utilizzato come rivelatore di livello zero (fig. a).
Dalla figura a lato è possibile vedere che quando la
sinusoide si avvicina allo 0, le fluttuazioni dovute al
rumore, costringono l’ingresso complessivo a oscillare
varie volte al di sopra e al di sotto dello 0, producendo di
conseguenza un andamento irregolare dell’uscita (fig. b).
L’andamento irregolare della tensione d’uscita si verifica
perché, a causa del rumore, il comparatore è costretto a
commutazioni improprie.
L’instabilità si innesca ogni volta che la Vin si avvicina
alla tensione di riferimento.
Per rendere il comparatore meno sensibile al rumore si può
impiegare la tecnica chiamata isteresi , basata sulla
retroazione positiva/negativa.
Isteresi
L’isteresi, fa in modo che quando la tensione
d’ingresso sale, la commutazione avvenga ad una
certa tensione
mentre quando scende avvenga
ad una tensione diversa, minore,
Si definiscono due livelli di riferimento:
UTP = Upper trigger point
LTP = Lower trgger point
Trigger di Schmitt invertente
in quanto l'uscita commuta a -Vsat quando Vi cresce e supera la tensione di soglia superiore
Se Vin = Vout (max)
Vin
R1
R2
Vout
La tensione retroazionata all’ingresso non invertente è a livello alto
«UTP» e vale
VTH = R2 / (R1+ R2 ) [+Vout(max)]
Se Vin > UTP
Vin : 5V/div.
Vout = - Vout(max)
La tensione retroazionata all’ingresso non invertente è a livello basso»
LTP» e vale
Vout: 5V/div.
T : 0.2ms/div.
VTL = ( R2 / R1+ R2 ) [-Vout(max)]
Prima che il dispositivo possa commutare nell’altro stato
Vin dovrà scendere sotto LTP
Ia differenze fra le due tensioni di riferimento «D» è un dato di progetto e consente di determinare il valore di R1 e R2
Trigger di Schmitt non invertente
La configurazione più semplice è la seguente:
La tensione presente al morsetto non invertente, che
dipende sia dalla tensione di ingresso Vi che dalla
tensione di uscita Vu, è confrontata con la tensione
presente al morsetto invertente che in questo caso
vale 0V. ( V- potrebbe anche essere diversa da
zero)
Applicando il principio di sovrapposizione degli effetti sulla maglia di uscita avremo:
In corrispondenza della commutazione V+ = 0 per cui
𝑅2 /(𝑅1 + 𝑅2) 𝑉o + 𝑅1 /(𝑅1 + 𝑅2) 𝑉i = 0
 Vi = R1/R2*Vo
tensione di riferimento a livello alto Vth = Vsat*R1/R2
tensione di riferimento a livello basso Vtl= -Vsat*R1/R2
D = Vth – Vtl = 2Vsat*(R1/R2)
Convertitore frequenza-tensione
La maggior parte dei convertitori tensione-frequenza possono lavorare in modo contrario tramite un'opportuna circuiteria
esterna.
l'ingresso del comparatore riceve il segnale di ingresso Vi di frequenza variabile fi.
L'uscita dell'integratore fornira una tensione V0proporzionale alla frequenza fi del segnale di ingresso.
Ogni volta che il segnale Vi scende al di sotto di -Vref il
comparatore commuta a livello
alto attivando il
monostabile.
L'impulso positivo del monostabile sposta il commutatore
S per un tempo pari alla durata dell'impulso stesso.
Durante questo intervallo il condensatore C dell'integratore tende a caricarsi per effetto della corrente I0.
Alla fine dell'impulso il commutatore viene portato nella posizione partenza e il condensatore comincia a
scaricarsi sul resistore R.
Al variare della frequenza del segnale in ingresso, varia proporzionalmente il valore medio della corrente in
ingresso a C e quindi il valore medio della tensione in uscita.
Convertitore frequenza-tensione / tensione frequenza integrati
Gli integrati in grado di convertire una frequenza in una tensione possono effettuare anche l'operazione inversa,
cioè riescono a convertire una tensione in una frequenza. Se quindi applichiamo sul loro ingresso una tensione
continua variabile da 1 a 1 O volt, possiamo prelevare dalla loro uscita una frequenza ad onda quadra
proporzionale al valore della tensione.
Attualmente gli integrati che possiamo reperire per convertire una frequenza in una tensione o una tensione in
una frequenza hanno queste sigle: LM.131 -LM.231 -LM.331 -XR.4151.
Questi quattro integrati sono equivalenti e poiché hanno la stessa piedinatura possiamo sostituirli uno con l'altro
senza problemi. Le sole differenze riguardano le temperature di funzionamento ed il valore della tensione massima di alimentazione, ma poiché in un circuito si
utilizza sempre una tensione compresa tra i 12 e i 15 volt, uno vale l'altro.
L'unica differenza che esiste tra i tre tipi di integrati riguarda la max temperatura che può raggiungere il loro
corpo senza danneggiarsi. L'integrato LM.331, il più diffuso, può raggiungere un massimo di 70°, l'integrato
LM.231 può raggiungere un massimo di 85°, mentre l'integrato LM.131 un massimo di 125°.
CONVERTITORE FREQUENZA/TENSIONE
Per convertire una frequenza in una tensione si deve utilizzare lo schema visibile in figura, la frequenza, che
viene applicata sul piedino d'ingresso 6, deve risultare necessariamente ad onda quadra.
Dal piedino 1 preleviamo una tensione che risulta
proporzionale al valore della frequenza.
L'ampiezza del segnale da applicare sull'ingresso non dovrà
risultare minore di 3 volt picco/picco, né superare il valore
della tensione di alimentazione, quindi se si alimenta
l'integrato con 15 volt, consigliamo di non superare gli 11
volt.
Per convertire una tensione in una frequenza si deve utilizzare lo schema visibile in figura.
FILTRI ATTIVI: configurazioni principali
• Generalità
• Filtro passa basso ideale
• Filtro passa basso reale
• Filtro passa alto ideale
• Filtro passa alto reale
Approsimazione delle risposte
• Approsimazione butterword
• Approsimazoioen Chebyshet
• Approsimazione Bessel
GENERALITA
I filtri sono particolari quadripoli, funzionanti in regime alternato che si comportano in modo selettivo
rispetto alle frequenze di funzionamento a cui sono soggetti ( a secondo del tipo lasciano passare un
certo tipo di frequenze e bloccano le altre)
Nel settore dell’elettronica sono utilizzati per:
- attenuare i disturbi, il rumore e le distorsioni applicati al segnale utile;
- separare due segnale trasmessi sullo stesso canale;
- elaborazione dei segnali nella riproduzione audio e video;
- ricostruzione di segnali ottenuti con tecniche digitali, ecc.
I filtri passivi
Sono costituiti da reti più o meno complesse di elementi passivi, R-L-C. ma sono caratterizzate da
una risposta ben lontana dalle curve ideali, oltre che la risposta dipende fortemente
dal carico
applicato.
Filtri passivi con buone caratteristiche di selettività sono realizzati con reti comprendenti solo
elementi reattivi (L e C).
I filtri attivi
I filtri attivi sono realizzati con A.O. e reti di reazione RC, presentando parecchi vantaggi rispetto ai
filtri passivi, come il basso costo, la semplicità di progetto e circuitale, ingombro e prestazioni. Il
limite principale consiste nel fatto di disporre di un’alimentazione in continua.
Integratore (filtro passa basso ideale)
Se la rete di retroazione di un amplificatore invertente è di tipo capacitivo, il circuito viene detto
“integratore”, poiché è in grado di eseguire l’operazione matematica di integrazione nel tempo del segnale
d’ingresso.
La “massa virtuale” dell’ingresso invertente fa sì che la resistenza R venga attraversata da una
corrente iR = Vin / R. L’elevata impedenza d’ingresso fa però sì che tale corrente attraversi la
capacità C, caricandola, per cui si ha:
iC
iR = iC.
iin
C
Vin
R
Vout
Ciò significa che la tensione d’uscita varia secondo la carica (o la scarica) del condensatore, che
infatti “integra” la corrente nel tempo. Si può quindi scrivere che:
It = CV
Icdt = Cdvo
Ir=Vi/R = -C(dvo/dt)
1 t
1 t Vin
1 t
Vout   idt   
dt  
Vindt
C 
C  R
RC 
Un circuito di questo tipo viene quindi anche chiamato “generatore di rampa”, e trova largo
impiego ad esempio negli oscilloscopi, nei convertitori A/D dei voltmetri digitali, ecc.
A = - X/R = -1/6,28*f*C*R
Nella realizzazione pratica per f  0 (segnale d’ingresso a bassa frequenza o presenza di
disturbi), A  ∞ l'uscita satura al valore della tensione di alimentazione Vcc rendendolo
instabile
Vout = -Vi*Xc/R =- Vi*/(6.28fCR)
Per evitare l’effetto di saturazione si usa porre in serie alla capacita una resistenza che
stabilizza il filtro ma rende l'integratore non ideale
Filtro passa basso reale
Alle basse frequenze il condensatore non è
percorso da
corrente e il circuito equivalente è quello di un amplificatore
invertente.
Vout = - R2/R1 Vin alle basse frequenze (ω=0)
Alle alte frequenze (ω→∞) il condensatore si comporta come
un cortocircuito per cui R2 risulta cortocircuitata e dunque il
guadagno del circuito alle alte frequenze è zero:
Vout = 0 alle alte frequenze (ω→∞)
Lo schema di partenza riguarda per cui la configurazione di un filtro passa-basso attivo, in
quanto alle basse frequenze presenta un guadagno pari a R2/R1 (tralasciando il segno meno che
non viene rappresentato sul grafico del modulo) mentre alle alte frequenze il guadagno è pari a
zero
L'andamento del modulo della risposta in frequenza è
La pulsazione di taglio in questo circuito vale:
ωt = 1/(R2C)
ft = 1/(6.28*R*C)
Derivatore (filtro passa alto ideale)
Se il segnale viene applicato tramite un condensatore il circuito viene denominato “derivatore”,
poiché è in grado di eseguire l’operazione matematica di
derivata nel tempo del segnale
d’ingresso.
R
C
VIN
VO
Anche in questa configurazione l’elevata
impedenza d’ingresso dell’operazionale fa sì
che la corrente che attraversa la capacità sia la
stessa che circola attraverso la resistenza,
ovvero: iC = iR
Icdt = cdv
Ir=ic= - vo/R
Vo =RCdv/dt
Il circuito è un derivatore puro, ovvero si comporta come un
filtro passa alto con frequenza di taglio infinita.
Questo filtro presenta problemi di stabilità in quanto nella
realizzazione pratica l'uscita satura al valore della tensione di
alimentazione Vcc positiva per valori di frequenza tendenti
all’infinito:
A = - R/X =- 6,28*f*C*R
per f  ∞
A ∞
Se la pulsazione w è elevata (segnale d’ingresso ad alta frequenza o presenza di disturbi), l’uscita
tende a saturare per evitare questo effetto, si usa porre in serie alla capacita una resistenza di
piccolo valore
filtro passa alto reale
R
R
VIN
C
2
1
VO
Alle basse frequenze il segnale di ingresso Vin non arriva
all'operazionale, a causa del condensatore aperto, per
cui:
Vout = 0 alle basse frequenze (ω=0)
Alle alte frequenze il condensatore si comporta come un cortocircuito e dunque lo schema
equivalente diventa quello dell'amplificatore invertente:
Vout = - R2/R1 Vin alle alte frequenze (ω→∞)
Lo schema rappresenta per cui un filtro passa-alto attivo, con guadagno R2/R1 alle alte frequenze
e con
pulsazione di taglio pari a a ωt = 1/(R1C) che si comporta da derivatore per
frequenze inferiori a ft = 1/6,28·R1·C, mentre per frequenze superiori si comporta da invertitore.
Andamento del modulo della risposta in frequenza
La pulsazione di taglio vale ωt = 1/(R1C)
Filtri: caratteristiche delle risposte
Poiche la funzione di trasferimento di un filtro ideale non è fisicamente realizzabile
vengono
utilizzate opportune funzioni approssimanti che ne riproducono l’andamento
entro tolleranze
prefissate.
Esistono vari tipi di funzioni approssimanti che danno origine a varie classi di filtri
Chebyshev, Bessel, ecc).
(Butterworth,
Ciascun tipo di risposta (Passa Basso, Passa Alto, Passa Banda o Elimina Banda), può essere
opportunamente sagomata attribuendo certi valori ai componenti circuitali.
Si ottengono così la caratteristica Butterworth, di Chebyshev e quelIa di Bessel.
Ognuna di queste è riconoscibile dalla risposta in frequenza
vantaggiosa delle altre a seconda delle applicazioni
Definendo con
wo = 6.28*fo pulsazione naturale « delimita la banda passante»
Q = 1/2*ζ
coefficente di risonanza
ζ
coefficiente di smorzamento
E possibile rappresentare la f.d.t di ogni tipo di filtro
che
può risultare
più o meno
In cui :
Filtri pb: Ao guadagno per f0
pa: Ao guadagno per A->in
A banda: centro banda
Wo = 1/RC pulsazione naturale non
viene riportata In tabella In quanto
dipende dalla pulsazione di taglio
in particolare
Per i filtri alla Butterworth il valore della pulsazione naturale (ω0) coincide con quello della
pulsazione di taglio (ωT) ; negli altri due casi nota wt si calcola wc
ω0 = ωT • fC per i filtri passo-basso
ω0 = ωT / fC per i filtri passa-alto
dove Fc è il coefficiente di conversione riportato da apposite tabelle
Wo dipende dai componenti circuitali RC e consente di calcolare la frequenza naturale
Wt pulsazione di taglio
I filtri attivi” che impiegano amplificatori operazionali con elementi realizzabili solo al di sotto dei
500 Khz poiché l'amplificatore operazionale ha bisogno di un guadagno ad anello aperto elevato
sulla banda di funzionamento.
1 - Caratteristica di Butterworth
Q = 1/2ε = 0.707
(Q: fattore di merito)
•Garantisce la massima piattezza della risposta in banda passante.
• I polinomi di grado n presenti a denominatore della f.d.t. vengono detti polinomi di Butterworth e
sono qui appresso elencati, avendo assunto wo=1 rad/s = wt
All’aumentare dell’ordine del filtro la risposta in frequenza si avvicina a quello ideale.
Per w=0 la risposta di tipo Butterworth è detta massimamente piatta,
per w=w0 = wt il modulo di H vale 1/1,41 , che corrisponde a 3 dB.
Per w>w0 il guadagno decresce con pendenza –n*20 dB/decade. Dove n è l’ordine del filtro
2. Caratteristica di Chebyshev
0.707 < Q = 1/2ε < 1.306
Risposta in frequenza caratterizzata da una serie di ondulazioni nella banda passante contenute
in 3 db (ripple)
banda di transizione meno larga rispetto a Butterworth
la pulsazione naturale, ω0 , NON COINCIDE con quella a - 3 dB, per ogni ordine del filtro
risposta all’impulso priva di overshot (picco dell’amplificazione)
Anche in questo caso per il progetto dei filtri si fa riferimento tabelle in cui sono forniti i fattori di
merito/smorzamenti e i fattori di conversione per ogni tipo di filtro attraverso i quali si risale ai
parametri circuitali R,C
Caratteristica di Bessel
•
•
•
•
•
Q = 1/2ε = 0.577
Risposta in frequenza meno piatta nella banda passante.
roll-off iniziale minore di -20 dB/decade per polo
banda di transizione meno larga rispetto a Butterworth
la pulsazione naturale, ω0 , NON COINCIDE con quella a - 3 dB, per ogni
risposta all’impulso priva di overshot.
ordine del filtro
Consente di ottenere una buona linearità della curva di fase in banda passante.
il filtro di Bessel viene utilizzato come linea di ritardo.
Per valori elevati di ε (ε = 0.866 per un filtro del secondo ordine) la risposta al gradino non ha
carattere oscillatorio
Filtro passa-basso VCVS del secondo ordine
Є = 3*Rb/2*(Rb+Ra)
Esempio: Determinare come può essere strutturato un filtro passa-basso del 6° ordine, con pulsazione
di taglio ωH=1000 rad/sec, secondo la tecnica di approssimazione di Butterworth.
Soluzione: la f.d.t. non ha zeri e presenta a denominatore un polinomio di 6° grado (n=6),
scomponibile nel prodotto di 3 forme quadratiche, pertanto si realizza disponendo in cascata tre
celle filtranti LP (Low-pass) del 2° ordine. Per ciascuna cella si assume ωo = ω t = 1000 rad/s
mentre diversi sono i valori di ε forniti dai polinomi di Butterworth di ordine 6°, pertanto si
trova:
ω t = 1/RC ricavare RC
At = A1*A2*A3
A1,2,3 = 3-2E
Si progetta RB e RA ( Amp non invertente)
Dimensionare due filtri passa-basso del 5° ordine, alla Butterworth con frequenza di taglio ft = 4 kHz
e guadagno in banda passante A0 =10 .
La pulsazione di taglio vale
ω t = = 2 *3.14*ft= 25133 rad/s )
Dalla TABELLA si rilevano i fattori di conversione
dei tre stadi fc1=fc2=fc3=1 per cui le pulsazioni
naturali dei tre stadi coincidono con quella di taglio
del filtro:
ω1= ω2 = ω3 = ωt = 25133 rad/s;
di conseguenza fissando C1=C2=C3 = 4,7 nF si ricavano le resistenze
R1=R2=R3 = 1/wo*C = 1/25133* 4,7* 10 ^-9 = 8,47 kΩ
Dalla TABELLA A si rilevano i valori di smorzamento dei due stadi del 2° ordine
ξ2 = 0,809, ξ3 = 0,309 che consentono di dimensionare i resistori RA e RB che ne
determinano il guadagno:
2° stadio: A02 = 3 - 2ξ =1,38. Fissando RA2= 47 kΩ, si ricava RB2= (A02− 1)RA2= 17,9
kΩ.
3° stadio: A03 = 3 - 2ξ = 2,38. Fissando RA3= 47 kΩ, si ricava RB3= (A03− 1)RB3= =
64,9 kΩ.
1° stadio: il guadagno del primo stadio deve essere tale da rendere il guadagno in banda
passante complessivo pari a: A0 = A1*A2*A3 = 10 A 2 0 ⋅ =3 10; per cui A1 = A0 / A2*A3
=3 ,04
Fissando RA1= 27 kΩ, si ricava RB1= (A01− 1)RA1= = 55,1 kΩ.
L’AZIONAMENTO
1. Elementi introduttivi
2. Gli attuatori
3. Tipi di attuatori
4. tipi di motori rotanti
5. motori lineari
6. Sintesi sul motore asincrono
7. avviamento stella triangolo
8. Criteri di scelta dei motori elettrici
9. Criteri di dimensionamento dei sistemi di trasporto
10. circuito di potenza
11. scelta del convertitore
12. sistemi di controllo
1. Elementi introduttivi
Un azionamento è un sistema che converte l’energia elettrica in meccanica con l’uso di
apparecchiature elettroniche di potenza ed è individuato da tre elementi fondamentali:
- L’ALIMENTATORE
- IL CONVERTITORE STATICO DI POTENZA
- IL DISPOSITIVO DI CONTROLLO
L’alimentazione rappresenta l’insieme delle apparecchiature che
creano l’accoppiamento tra la sorgente di alimentazione e il
convertitore
La parte di potenza dell'azionamento (elettronica di potenza) si
occupa di
erogare l'energia elettrica al motore nel modo
opportuno.
Il dispositivo di controllo è l’insieme delle apparecchiature che
controllo il moto
Il motore (macchina elettrica) che é l'elemento che deve essere controllato attraverso
schede digitali che analizzano e elaborano i segnali
provenienti dai sensori
e la
macchina azionata sono da considerarsi componenti esterni
Le
caratteristiche
dell'azionamento
devono
soddisfare
le
esigenze
richieste
dall'utilizzatore (la macchina azionata).
I moderni azionamenti elettrici costruiti
integrato
un sistema di controllo
a
elettromeccanica di trasformazione della
presenza di reti dedicate (comunicazioni)
flessibilità
da un dispositivo elettronico nei quali viene
microprocessore
che
gestisce una
parte
potenza elettrica
in potenza meccanica. La
consente di gestire l’azionamento con elevata
Si hanno azionamenti per motori DC a magneti permanenti, per motori senza spazzole «Brusless»,
per motori asincroni, per motori sincroni; per piccole potenze si utilizzano per motori a passo.
Tutte le problematiche legate all'emissione elettromagnetica e all'immunità ai disturbi (EMC:
compatibilità elettromagnetica) devono essere
trattate negli azionamenti con molta cura
per ottemperare le normative di macchina.
2.0 Gli attuatori
Si considerano attuatori quei dispositivi elettromeccanici che, soggetti a una sollecitazione di tipo elettrico, forniscono
una risposta di tipo meccanico.
Spesso si rende necessario prelevare energia elettrica in una certa forma (per esempio da un sistema trifase in
corrente alternata) ed eseguire la conversione in una forma che sia compatibile con il tipo di motore da utilizzare (ad
esempio in corrente continua)
L’efficienza della conversione gioca un ruolo di importanza fondamentale nel caso che le potenze in gioco siano di
notevole entità, questa viene garantita dall’utilizzo di dispositivi elettronici che funzionando in modalità on-off
garantiscono una dissipazione praticamente nulla.
I dispositivi elettronici attualmente più utilizzati sono i transistor di potenza BJT e MOS e soprattutto gli IGBT; questi
ultimi hanno ormai soppiantato, per applicazioni anche fino a 1000 kW, i tradizionali SCR che restano ancora validi in
settori di elevatissima potenza oppure come ricambi in azionamenti già esistenti.
I dispositivi sono utilizzabili sia nel funzionamento delle macchine elettriche come motori (conversione di potenza
elettrica in potenza meccanica) che come generatori (conversione di potenza meccanica in potenza elettrica).
In relazione alla potenza meccanica trattata dalla macchina elettrica si può scrivere:
Pm = Cm * w in cui
Cm è la coppia meccanica (o momento torcente)
w è la velocità angolare dell’albero del motore.
Si può rappresentare il comportamento meccanico della macchina elettrica su un piano Cm, w come indicato in
figura
.
Se il flusso d’energia fluisce dalla sorgente al
motore elettrico e quindi alla macchina azionata la
macchina elettrica funziona da “motore” viceversa
funziona
da
generatore
se
riceve
energia
meccanica dalla macchina azionata e la trasforma
in energia elettrica.
le macchine elettriche sono reversibili, cioè
possono funzionare sia da “motore” che da
“generatore ”).
E possibile distinguere quattro quadranti di funzionamento in ognuno dei quali è indicata la relativa modalità di
funzionamento della macchina elettrica.
Assumendo come riferimento l’albero del motore si possono individuare le seguenti condizioni di funzionamento della
macchina:
◗ eroga energia meccanica (e assorbe energia elettrica) = motore (quadranti 1 e 3);
◗ assorbe energia meccanica (e eroga energia elettrica) = freno (quadranti 2 e 4).
Il funzionamento come freno si ha nei MAT invertendo il senso di rotazione del campo rotante
o commutando la velocità da alta a bassa (si supera la velocità di sincronismo); nei motori CC si ha quando l’energia
meccanica fornita è tale da far superare la velocità a vuoto o si sostituisce l’alimentazione con una resitenza di
frenatura
Un esempio di frenatura in avanti è quello della trazione elettrica, un esempio di frenatura indietro
si ha nel caso del montacarichi durante la discesa.
Non tutto il piano Cm, w è disponibile per il funzionamento del motore ma sono consentite solo
opportune regioni dello stesso.
Un limite è stabilito dalla massima potenza meccanica PMAX che la macchina è in grado di
trasmettere o ricevere, due ulteriori limiti al funzionamento nel piano cartesiano sono la coppia
massima CmMAX e la velocità di rotazione massima wMAX.
La zona di effettivo funzionamento della macchina elettrica è allora quella indicata in figura b.
Si noti che la coppia massima non coincide con la coppia nominale del motore e può essere anche
4-5 volte maggiore di essa.
2.1 macchine elettriche
Le macchine elettriche vengono tradizionalmente divise in due grandi gruppi: macchine statiche e
macchine rotanti.
- Le macchine statiche, così dette perché prive di parti in movimento, modificano il valore della
corrente o della tensione alternata forniti in ingresso
mantenendo pressoché inalterato il
valore della potenza: il trasformatore.
- Le macchine rotanti, nelle quali è presente una parte che ruota attorno ad
un asse,
appartengono a tre tipi fondamentali: il tipo sincrono, che opera in regime sinusoidale e con
velocità di rotazione costante; il tipo asincrono, che
funziona sempre in regime sinusoidale con
una velocità di rotazione dipendente dal campo magnetico interno alla macchina e variabile con il
carico; il tipo
a corrente continua, che opera in regime stazionario, poiché
l’energia viene
fornita o prodotta in corrente continua
2.2 Principio di funzionamento dei motori elettrici.
Il motore elettrico è il dispositivo maggiormente utilizzato per la generazione del
moto nei sistemi meccanici che compongono la base
dei sistemi automatici di
produzione.
I motori elettrici utilizzati negli azionamenti sono di due tipi rotanti e lineari con il
seguente il principio di funzionamento :
I primi, più usuali, rendono disponibile il moto come rotazione attorno all’asse del “rotore”;
movimento può essere di tipo continuo o di tipo incrementale
I secondi, invece, producono un movimento
“movente” del motore).
il
in direzione lineare (direzione di spostamento del
2.3 Struttura di un motore elettrico
Dal punto di vista strutturale il motore elettrico può essere suddiviso in due parti strettamente
interagenti tra loro: una parte fissa detta statore, ed una parte mobile detta rotore (nel caso di
moto rotatorio) o movente (nel caso lineare).
Le parti fissa e mobile di un motore interagiscono tramite il campo elettromagnetico prodotto dalla
alimentazione del motore. Quest’interazione si traduce in una coppia (coppia elettromagnetica)
disponibile all’asse del rotore o in una forza (forza elettromagnetica) lungo la direzione del
movente, rispettivamente per motori rotanti e lineari.
Ai fini del progetto del convertitore statico e del dispositivo di controllo, il
(rotante o lineare) può essere rappresentato mediante due blocchi funzionali:
motore elettrico
-La parte elettromagnetica, che rappresenta il comportamento degli avvolgimenti di statore e
rotore della macchina elettrica (formazione delle correnti, dei campi magnetici e della coppia
elettromagnetica)
-la parte meccanica che rappresenta il comportamento meccanico per quanto attiene alla parte
mobile del motore (comprende l’inerzia delle masse rotanti e le coppie resistenti interne alla
macchina)
La parte meccanica e quella elettromagnetica interagiscono tra loro in modo diretto mediante la
coppia elettromagnetica ed in modo retroattivo mediante la velocità di rotazione ω, che influenza i
circuiti elettrici del motore (a livello di tensioni indotte).
2.4 Tipi di motori rotanti
I motori elettrici rotanti utilizzati nella m ovimentazione autom atica
si
possono
suddividere in quattro grandi famiglie: motori a collettore, motori sincroni, motori asincroni,
motori, passo passo e servo motori
a) Motori a collettore.
Sono caratterizzati
dalla
presenza del collettore-spazzole
che
svolge le funzioni di un
convertitore di potenza, possono essere suddivisi in motori
in c.c. con avvolgimento di
eccitazione, motori in c.c. a magneti permanenti in disuso per l’alto costo, motori Brushless
che hanno buone prestazioni e basso costi
b.
Motori sincroni
Sono motori alimentati con una tensione alternata e la velocità di rotazione è rigidamente legata
alla frequenza della tensione di alimentazione.
Si suddividono in motori sincroni con avvolgimento di eccitazione e in motori sincroni a magneti
permanenti.
Non sono autoavvianti e sono utilizzati per grosse potenze. Anche se più costosi sono a abbastanza
diffusi per la loro flessibilità di utilizzo
c. Motori asincroni
Questi motori, in cui la velocità non dipende dalla frequenza,
sono alimentati con una
tensione alternata e sono ormai largamente diffusi nell’industria, si dividono in:
c.1 Motori asincroni monofase usati per
potenze
piccole < 1 Kw .hanno un bassissimo
rendimento e non sono usatiper la movimentazione automatica (non sono facilmente controllabili)
c.2 Motori asincroni trifase, usati, soprattutto quelli a gabbia di scoiattolo, che oltre ad essere robusti
hanno un basso costo.
Negli azionamenti a velocità variabile per avere elevate prestazioni (coppia, velocità), occorre usare dei
motori asincroni progettati appositamente per gli inverter.
Motori passo passo, servomotori si utilizzano gli stessi convertitori dei motori senza spazzole e sono utilizzati per
azionamenti di piccola potenza
2.5. Motori lineari elettrici
I motori lineari sono particolari attuatori elettrici in grado di produrre il moto
direttamente in forma lineare.
Si può pensare di ottenere un motore rotativo lineare da una qualsiasi macchina
rotativa mantenendo lo stesso principio di funzionamento, ma disponendo in modo
opportuno le superficie di accoppiamento magnetico in modo che la distribuzione
dei campi sia disposta lungo un asse piuttosto che su una circonferenza.
Il motore consiste di due sole parti: il cursore «slider» e lo statore. Il cursore è
prodotto con magneti al neodimio inseriti in un tubo in acciaio inox di alta
precisione. Nello statore sono collocati gli avvolgimenti, il cuscinetto per il cursore,
il sensore di posizione ed il sensore di temperatura per il monitoraggio termico del
motore.
Il pilotaggio di tali motori è reso possibile attraverso comuni convertitori che pilotano le correnti nel
primario al fine di ottenere uno sfasamento di 90° elettrici rispetto ai poli magnetici così da
massimizzare la spinta.
L'attuazione diretta del moto in forma lineare consente di eliminare la trasmissione meccanica che
si ha fra il motore rotativo e il carico, eliminando quindi tutte le limitazioni introdotte da tali
cinematismi (usura, vibrazioni,
qualità posizionamento, rendimento e dinamica dell’intero
azionamento) ; tutto questo migliora la_stabilità generale del sistema e riduce gli interventi di
manutenzione.
Inoltre, grazie alle minori inerzie che vantano i motori lineari, la realizzazione
particolarmente semplice il tutto a favore di dinamiche più elevate.
del moto risulta
2.6) Sintesi sul motore asincrono
Il motore asincrono trifase viene alimentato da un sistema di tensioni trifasi sfasate tra di loro
di 120° ( V in valore efficace = 400 v, frequenza f = 50 Hz)
La rotazione del rotore avviene grazie al campo magnetico rotante generato da tre correnti
sfasate di 120 gradi elettrici (rotazione di vettori simbolico associato ad una grandezza
elettrica) che circolano in tre bobine doppie disposte l’una rispetto all’altra di 120° meccanici
nsincronismo = 60f/Ncoppie polari
g/m
Il rotore non ruota a una velocità costante, cioè la velocità di sincronismo, ma rallenta al variare del
carico; per cui il motore non è detto sincrono ma asincrono, in quanto non rispetta la velocità di
sincronismo imposta dallo statore.
Si definisce con scorrimento
s = (ns-nr)/ns = ws-wr/ws
Nei MAT è importante la caratteristica meccanica che rappresenta l'andamento della coppia motrice C (Newtom*m)
in funzione dello scorrimento (o della velocità di rotazione del rotore nr: giri/min)
Se il punto di lavoro si trova nel tratto stabile un aumento della coppia resistente provoca una diminuzione ella
velocita e di conseguenza un aumento della coppia motrice che ripristina la posizione; accade il contrario se la
pendenza della retta diminuisce.
Nel tratto instabile se la coppia resistente aumenta si ha il rallentamento del motore di conseguenza la coppia
motrice diminuisce sempre di più non riuscendo a trovare l'equilibrio: il motore finirà col fermarsi. Accade il
contrario se la CR diminuisce.
2.6.1 Ciclo di funzionamento: avviamento stella triangolo
Per MAT sono previsti una sequenza di cicli di funzionamento identici comprendenti una fase di avviamento, un
periodo di funzionamento a carico costante, una fase di frenatura elettrica rapida e un periodo di riposo.
Nella fase di avviamento, il motore assorbe un’elevata corrente di spunto; l’energia assorbita, non potendo ancora
convertirsi in energia meccanica essendo il motore fermo, é quasi totalmente convertita in calore per effetto Joule.
Con l’avviamento del rotore la corrente si riduce fino ad assumere il valore nominale in corrispondenza di una
velocità vicina a quella massima.
La corrente di spunto può assumere valori che vanno generalmente dalle sei alle otto volte il valore della corrente
nominale.
Per la protezione si possono utilizzare due dispositivi distinti, il fusibile e il relè termico, che proteggono
rispettivamente contro cortocircuiti e sovraccarico termico.
Il relè termico si rivela adatta per la protezione del motore alle basse correnti. Oltre un certo limite il relè termico
rischia la distruzione e subentra quindi il fusibile, il cui campo di protezione può spingersi a correnti superiori per
giungere fino a quella di cortocircuito.
Fra i diversi metodi che si utilizzano per ridurre la corrente di spunto
MAT consideriamo l’avviamento stella triangolo.
all’avviamento di un
Questo
avviamento consiste in una partenza con avvolgimento predisposto a stella e,
successivamente all’avvio, il passaggio al definitivo collegamento a triangolo
La riduzione della corrente di spunto viene effettuata, sempre a parità della tensione di rete
Vf, collegando inizialmente gli avvolgimenti a stella
Vf = Vc/1,73
Istella =Itriang/3
La coppia di spunto, che dipende dal quadrato della
tensione, si riduce di 3 volte rispetto alla coppia che lo
stesso motore fornirebbe se avviato a triangolo
Al raggiungimento di una certa velocità del motore si
effettua la commutazione a triangolo.
Ogni bobina dell’avvolgimento risulta nella nuova
condizione di funzionamento alimentata alla tensione
concatenata Vc della rete trifase, cioè alla tensione
1,73 volte maggiore della precedente
3. - Criteri di scelta dei m otore elettrico
La macchina elettrica, destinata ad essere collegata con una macchina operatrice deve essere scelta
con cura nell’intento di ottimizzare il motore in coppia e in potenza sia in regime permanente che in
transitorio.
I dati particolarmente importanti necessari per la selezione di motore asincrono trifase (MAT)
sono la potenza nominale, tensione, frequenza, velocità nominale, temperatura massima del mezzo
refrigerante, tipo di servizio (continuo, limitato, intermittente ) , classe di isolamento, la coppia e
velocità, le prestazioni dinamiche che dipendono dall'inerzia rotorica, la coppia di spunto Cs, e la
corrispondente corrente Is
A tale scopo è necessario conoscere il diagramma coppia-velocità dell’azionamento nel quale
sono definite le tre coppie: coppia in servizio continuo (1), la coppia di picco (2) limite di
coppia dovuto alla massima tensione (3)
w = 6.28*n/60
n = ngiri/secondo
C1,2,3 coppie N.m
In funzione del tipo di servizio previsto per il motore deve essere
garantito il funzionamento anche in condizioni di sovraccarico
termico di breve durata e di conseguenza le condizioni di utilizzo
delle tre coppie
A- Coppia di servizio
La curva di coppia in servizio continuo (1) è
la
coppia che il motore riesce ad erogare in
modo continuativo, mantenendo la temperatura entro valori accettabili senza che lo stesso si
danneggi.
La coppia in servizio continuo dipende dalle caratteristiche elettriche del motore e dalle
caratteristiche termiche
che provocano la smagnetizzazione del materiale magnetico.
Può capitare di dover utilizzare il motore in condizioni più sfavorevoli rispetto a quelle per cui è
stata definita la coppia a
servizio continuo, in questo caso occorre declassare il motore (
funzionamento a valori inferiori ai valori di targa)
b - La coppia di picco
è la massima coppia (2) che può erogare il motore senza problemi, normalmente è 2 + 5 volte la
coppia in servizio continuo.
Il tempo massimo di utilizzo di dipende dal tempo necessario per raggiungere la sovratemperatura
critica.(si deve limitare la coppia per non superarla)
Di solito la massima coppia di picco erogabile dal motore non viene mai utilizzata completamente
per non sovradimensionare il DRIVER (scheda di gestione dello stato di funzionamento del motore
c. Limite di coppia dovuto alla massima tensione di alimentazione
Nella figura sottostante è rappresentato il campo di lavoro di un motore asincrono alimentato da un
convertitore (inverter)
Da 0 a fn La tensione fornita dall’inverter al motore
è proporzionale a f
Da fn in poi tensione fornita dall’inverter al motore V è
costante
La tensione nominale che si ottiene in corrispondenza della frequenza nominale non si può aumentare
per
problemi d’isolamento, e di conseguenza la coppia, essendo proporzionale al quadrato della
tensione di alimentazione verrà limitata da Vmax
Il superamento della frequenza nominale comporta una
del motore a potenza costante (P= C*w)
diminuzione della coppia e il funzionamento
Durante il funzionamento la coppia di sovraccarico non potrà mai
non generare l’arresto del motore
superare la
coppia massima per
CRITERI DI DIMENSIONAMENTO PER L’INSTALLAZIONI DEI MOTORI ASINCRONI
Nella installazione di motori in dispositivi di sollevamento e movimentazione (montacarichi, nastri trasportatori, coclee
«contenitori» ed argani) il dimensionamento e la scelta del motore di trascinamento viene effettuata in
funzione delle caratteristiche del carico.
Si sceglierà quel motore in base alla coppia (Cnom>Cresist).
La velocità di sollevamento o movimentazione sarà quella corrispondente al numero di giri nominale del motore
Si esaminano di seguito i grafici coppia-potenza in funzione delle condizioni specifiche di carico,
1) Per le machine in cui si richiede una potenza costante (macchine avvolgitrici, tornio) il
coppia potenza sarà:
P = C*𝛀 = cost
C coppia
P potenza
𝛀 velocit angolare
oppure
P=F·v=cost.
grafico
2) Per le macchine in cui la coppia resistente è costante
non dipende
dalla velocità (ascensori, paranchi, argani)
coppia C=F·D/2=costante;
e
F = PESO
3)
Nel
caso di macchine con coppia di carico
proporzionale alla velocità ( calandre per la lavorazione di
materiali tessili, carta, plastica, fogli di gomma ecc.. con
generazione di attrito viscoso) si ha
C=k·Ω ;
P=C·Ω=
4) – Nel caso di macchine con coppia di carico proporzionale alla
velocità al quadrato ( ventilatori, pompe centrifughe, sbattitori,
centrifughe
C=k·Ω2 ;
P=C·Ω=k·Ω3
k·Ω2
4. Circuito di potenza.
La parte di potenza è quella parte che deve convertire l'energia elettrica proveniente
dalla sorgente di alimentazione nella forma adatta per poter alimentare in modo
opportuno il motore elettrico.
La sorgente di alimentazione primaria è in genere la rete in correte alternata (trifase per
azionamenti di potenza superiore a qualche kW, monofase per potenze inferiori ad 1-2 kW); in
casi particolari può trattarsi di una rete elettrica in corrente continua (azionamenti per trazione
su rotaia) oppure batterie di accumulatori (trazione su ruote).
L'amplificatore di potenza si può
- convertitore di potenza
- sezione di alimentazione
- circuito di frenatura
considerare suddivisa in tre sezioni:
1) Il convertitore di potenza ha i l compito di alimentare i l motore e quindi
conversione DC/AC o DC/DC, la sua struttura dipendo dal motore stesso.
effettuare una
Per la realizzazione dei convertitori si utilizzano componenti di potenza quali transistor SCR, IGBT,
GTO ecc...
La scelta del convertitore dipende dal tipo di motore, dal relativo drive «dispositivo di comando
>, dal tipo di carico meccanico, dal rapporto fra l’inerzia del carico e l’inerzia del motore, dal tipo
di utilizzo dello stesso e viene
effettuata
sulla
base delle specifiche tecniche forniti dai
cataloghi tecnici dei costruttori (V, I, vn, C ecc..)
Si hanno le seguenti tipologie di convertitori:
-
CONVERTITORE AC/DC non controllato, «raddrizzatore» ( V e f costanti)
CONVERTITORE AC/DC controllato , (V di ampiezza variabile)
CONVERTITORE DC/DC, «chopper», (aumenta/diminuisce la tensione di un valore prestabilto)
CONVERTITORE DC/AC, «inverter», (V di ampiezza e frequenza variabili)
CONVERTITORE AC/AC, «convertitore di frequenza» (V di ampiezza e frequenza variabili
Ogni convertitore statico è provvisto di un opportuno sistema di protezione, il quale assicura che
non accadano condizioni operative tali da danneggiare in modo irreparabile i semiconduttori di
potenza.
Fra le protezioni, quella di massima corrente riveste un ruolo particolarmente rilevante, in
quanto deve disinserire rapidamente l’alimentazione quando avvengono gravi disturbi quali
corto-circuiti o surriscaldamenti
2) La sezione di
alimentazione dipende dalla sorgente di alimentazione che è
normalmente monofase o trifase,
i l suo compito è quello di effettuare la
trasformazione da tensione alternata in continua o viceversa in modo da ottenere il
controllo del moto richiesto.
3)Per evitare che durante la frenatura del motore la tensione ai capi del convertitore
superi valori elevati, si introduce un circuito di frenatura che ha il compito di scaricare
su una resistenza (detta di frenatura) l'energia in eccesso prodotta durante la frenatura
5) Dispositivo di controllo
E` l’elemento che determina il valore della grandezza di comando del convertitore statico sulla
base del tipo di controllo da adottare per l’azionamento; si hanno due tipi di controllo in
catena aperta e in catena chiusa (o in “contro-reazione”)
a. Controllo a catena aperta
Con questa modalità di controllo la grandezza da controllare non viene misurata, ma viene
individuata, in modo univoco, dalla grandezza di riferimento (di comando); ne consegue che a
regime non viene assicurato che la grandezza da controllare sia uguale valore di riferimento.
L’eventuale scostamento dipende dalla presenza di disturbi che intervengono sul sistema
controllato, e precisamente dalla:
- caratteristica dei carichi (statici e dinamici) della macchina azionata;
- cadute di tensione nel convertitore;
- variazioni parametriche nel sistema controllato.
I disturbi possono essere, se noti, compensati a livello della legge di controllo, ma se si vuole
assicurare uno scostamento nullo bisogna ricorrere al controllo in catena chiusa.
b.
Controllo a catena chiusa
Con questa modalità di controllo la grandezza da controllare virne misurata attraverso un
opportuno sensore è confrontata nel nodo comparatore con la grandezza di riferimento. La loro
differenza (“errore” o “scarto” di regolazione) diventa l’ingresso del blocco di controllo in catena
diretta.
Il controllo in catena chiusa è adottato quando con un azionamento in catena
possono assicurare le prestazioni desiderate nelle regolazioni, in particolare:
-
aperta non si
si vuole che l’errore a regime sia nullo
si desidera che le prestazioni dinamiche (velocità di risposta) 4
Gli azionamenti di elevate prestazioni sono del tipo a catena chiusa, e vengono indicati come
servo-azionamenti
Le frecce tratteggiate indicano
i
fenomeni di
controreazione, per segnali di natura diversa tra la
macchina azionata ed il motore, tra il motore e il
convertitore, tra il convertitore la sorgente primaria
(disturbi elettromagnetici sulla rete elettrica)
Le frecce larghe indicano il flusso di potenza
I segnali di controllo (bassa potenza)
a tratto
continuo, quelli di protezione con tratto-tratto
Nei moderni azionamenti il dispositivo di controllo è realizzato mediante
dedicati al controllo dei motori elettrici.
microprocessori
trasmissione meccanica
• Trasmissione meccanica
• Cinghie
• riduttori di giri
TRASMISSIONE MECCANICA
In un azionamento elettrico un motore aziona un carico meccanico.
Capita molto spesso che il carico meccanico sia caratterizzato da una alta coppia e una bassa
velocità, mentre i normali motori elettrici forniscono invece buone prestazioni ad alta velocità,
cui corrisponde una bassa coppia.
In queste situazioni non è possibile un accoppiamento diretto tra carico meccanico e motore. Si
rende necessaria l’interposizione di una trasmissione meccanica per adattare i valori di coppia e
velocità.
La trasmissione meccanica può essere realizzata mediante:
•Cinghia e catena
•Riduttore di giri
•Conversione del moto rotatorio in traslatorio
•Sistema pignone e cremagliera
•vite senza fine e a ricircolo di sfere
Negli accoppiamenti meccanici nascono delle elasticità torsionali dovute al fatto che l’albero
non è rigido e sono dovute a due coppie di momento uguale e contrario che agiscono su piani
perpendicolari all’asse geometrico.
Tali elasticità possono presentarsi sia tra motore e carico che tra motore e tachimetro,
queste ultime sono dannosissime in quanto producono un errore di misura della grandezza
su cui si basa il controllo in retroazione, la
velocità, e per questo l'accoppiamento
tachimetrico risulta essere il più critico.
Per diminuire l'effetto delle elasticità torsionali dovute all'accoppiamento
tachimetro il metodo migliore è ridurne l'entità delle torsioni attraverso:
motore
il montaggio del tachimetro direttamente sull'albero motore piuttosto che tramite dei
giunti (riduzione della costante elastica);
- riducendo l'inerzia del sensore (usando sensori leggeri tipo encoder);
- il montaggio ravvicinato del tachimetro, all'interno del motore, fatto
direttamente dal
costruttore.
- Introducendo un filtro elimina
banda “notch”
che
riduca
i problemi
legati
all'elasticità.
-
Per evitare grandi oscillazioni sul carico occorre tenere basso il guadagno proporzionale Kp,
ma soprattutto evitare il più possibile qualsiasi accoppiamento elastico (con cinghia), in
quanto si ridurrebbero notevolmente le prestazioni del sistema.
CINGHIA
La cinghia realizza una trasmissione meccanica elastica, ma comunque di buon
rendimento ( ~ 95%).
La cinghia è avvolta su due o più pulegge, dello stesso diametro oppure diverso, in
funzione delle applicazioni.
La grande richiesta di cinghie ha stimolato l’industria, che ne ha prodotte di diversi
tipi, rendendole convenienti anche in applicazioni tradizionalmente riservate alle
catene.
Tipi di cinghia: cinghia piatta, Cinghia trapezoidale, Cinghia dentata
Rapporto di riduzione: (o di trasmissione):
R = w2/W1 =R1/R2
RIDUTTORE DI GIRI
Il rapporto di trasmissione/riduzione a seconda di come altera i parametri
in gioco, si definisce come:
•Riducente: nel caso il rapporto sia minore di 1,
•Imparziale, nel caso il rapporto sia uguale a 1,
•Moltiplicante, nel caso il rapporto sia maggiore di 1,
Tipi di riduttori: A vite senza fine, A ingranaggi, Epicicloidale, Armonico
Ro/Rm = Wm/Wo = Co/Cm
Cm*Wm = Co*Wo
Wm *Rm = Ro*Wo
L’AZIONAMENTO
ELETTRONICA DI POTENZA
Generalità
Transistor ( BJT, MOSFET, IGBT, SCR, CONTROLLO DI FASE, TRIAK)
Pilotaggio dei dispositivi a semiconduttori
Generalità
L'elettronica di potenza si occupa della regolazione della potenza erogata a un carico che lavora con tensioni e/o
correnti elevate mediante componenti elettronici. Questa soluzione è superiore a quella che fa uso di componenti
elettromeccanici come relè e contattori perché questi ultimi:



richiedono correnti di pilotaggio superiori
sono molto più lenti (quindi adatti per impieghi tipo marcia-arresto ma certamente non per la regolazione PWM!)
sono meno affidabili
La soluzione circuitale e i componenti da utilizzare si scelgono in base ai valori di corrente e tensione e al tipo di
circuito - in alternata o continua.
I principali componenti utilizzati sono:


transistor: BJT, darlington, MOSFET e IGBT
tiristori: SCR, DIAC, TRIAC e GTO
Transistor
I transistor sono indicati per potenze minori (fatta eccezione per gli IGBT) e per circuiti in continua.
L'impiego è quello da interruttore dove il transistor si comporta:


come un interruttore aperto nello stato OFF
come un generatore di tensione costante (VCEsat) per i BJT o come una resistenza (Ron) per i MOSFET nello stato ON
In entrambi i casi si ha una dissipazione di potenza sul componente calcolabile con:

PD= VCEsatICt
PD= RonICm
Questa potenza è contenuta, perché i valori di VCEsat e Ron sono molto bassi (meno di un Volt e meno di un Ohm per
transistor di potenza), ma non trascurabile e va dissipata sotto forma di calore ceduto all'ambiente
Il pilotaggio dei transistor è abbastanza semplice e richiede piccole correnti, erogabili
entrambi casi con tensione nulla si ha lo stato OFF mentre per lo stato ON:


anche da porte logiche. In
per i BJT occorre dimensionare la resistenza RB, considerando la tensione di comando e il carico, per portare il BJT in
saturazione
per per i MOSFET basta imporre una VGS maggiore di quella di soglia indicata nei datasheet per avere piena
conduzione
Nelle applicazioni di potenza si usa la connessione a emettitore comune che permette di pilotare correnti elevate
con piccole correnti
i parametri che occorre prendere in particolare considerazione sono la corrente massima (lcmax arriva anche di
500A) le tensioni massime (VCE e varie tensioni di rottura), la potenza dissipabile (PDmax).
Possono commutare ad elevata frequenza (10 kHz), ma non resistono alle tensioni inverse e le applicazioni sono
perciò limitate ad inverter e chopper alimentati in corrente continua
I MOSFET sono utilizzati per pilotare carichi di potenza perché sopportano tensioni di rottura superiori rispetto ai
BJT (tensioni di rottura di 1 Kv con correnti di qualche centinaio di Ampere) e presentano i seguenti vantaggi






sono facili da pilotare
non assorbono corrente a riposo
sono più stabili nell'utilizzo
tempi di commutazione più brevi e frequenze di lavoro più elevate;
controllo di potenze elevate (si arriva ai 150 kW) mediante potenze di pilotaggio trascurabili;
facilità di interfacciamento con logiche TTL e CMOS
Darlington.
Si tratta di due BJT con il collettore il comune e l'emettitore del primo collegato alla base del
secondo.
Questa configurazione equivale ad un BJT con un guadagno che è il
prodotto dei due guadagni e una VCEsat aumentata di 0,7 Volt (pari alla
VBE del secondo transistor)
Sono usati come interruttori per pilotare relè solenoidi, motori in corrente continua
e passo-passo (step motor).
IGBT (insulated gate bipolar transistor)
E un particolare tipo di transistor che combina un MOSFET in ingresso e un BJT in uscita.
Questa soluzione sta soppiantando le precedenti tecnologie nelle applicazioni in commutazione
per potenze medio-alte (inverter, alimentatori) perché offre sia i vantaggi dei BJT (tensioni di
lavoro elevate e bassa VCE) che quelli dei MOSFET (alta impedenza di ingresso e facilità di
pilotaggio).
Lo scopo viene raggiunto mediante la realizzazione di una struttura a transistor BJT di tipo PNP in configurazione
Darlington in cui il transistor pilota viene sostituito da un MOSFET a canale N;
Le caratteristiche d'uscita sono uguali a quelle
di un transistore bipolare che viene però
controllato in tensione come il MOSFET.
Quanto la tensione è applicata tra gate ed emettitore, la capacità equivalente d'ingresso si carica attraverso il resistore
di gate fino a una tensione di soglia che fa accendere l'IGBT; viceversa, quando la capacità tra gate ed emettitore si
scarica, l'IGBT torna nello stato di off
Essendo l’IGBT un dispositivo a tensione controllata richiede solo una piccola tensione sul gate per mantenere la
conduzione attraverso il dispositivo a differenza dei BJT che richiedono che la corrente di base sia continuamente
alimentata in quantità sufficiente a mantenere la saturazione.
Per portare l’IGBT in condizioni si applica in modo continuo una tensione positiva superiore alla
tensione di soglia che è dell’ordine di 5- 6v; per spegnerlo si porta Vge al di sotto della tensione di
soglia
L’IGBT è un dispositivo unidirezionale a differenza dei MOSFET che hanno capacità di commutazione di corrente in
maniera bidirezionale; la corrente circola in una sola direzione, dal collettore verso l’emettitore.
L’impiego degli IGBT è legato in particolare al controllo dei motori a velocità variabile, al controllo di trazione, agli
schemi per inverter e alimentatori.
Tiristori
I tiristori in senso stretti sono gli SCR ma spesso, con questo termine, si intendono anche altri componenti a
semiconduttore della stessa famiglia come i DIAC, i TRIAC e i GTO.
Questo tipo di dispositivi si usano prevalentemente in alternata (fanno eccezione i GTO) e richiedono un circuito di
innesco per il loro pilotaggio.
L’SCR è adatto ad applicazioni anche industriali e può controllare potenze rilevanti e correnti di
centinaia e centinaia di ampere
Un triac corrisponde a due Scr in antiparallelo, cioè con il catodo di uno collegato all'anodo
dell'altro. Il controllo può avvenire con un solo dispositivo per entrambe le semionde.
Il triac, più flessibile,
relativamente ridotte.
è utilizzato
in
genere per
applicazioni
domestiche con
potenze
SCR
L'SCR (Silicon Controlled Rectifier) è un diodo controllato che dispone di un terzo terminale, oltre ad anodo e
catodo, detto gate.
Per portare in conduzione un SCR occorre:

polarizzarlo direttamente con una VAK positiva

applicare un impulso di corrente al gate
Non si possono utilizzare per elevatissime frequenze
di commutazione
ma consentono il
passaggio di elevate correnti (3.5÷4 kA) e di conseguenza possono gestire grandi potenze.
Per velocizzare l’entrata in conduzione è opportuno che il fronte di salita dell’impulso di gate sia
molto ripido. Questo è importante ad elevate frequenze di commutazione. Solitamente non si da un
unico impulso ma un treno di impulsi, per evitare elevate perdite e possibili spegnimenti involontari
La corrente applicata al gate che porta in conduzione l'SCR non è più necessaria una volta avvenuto l'innesco.
Per spegnere l'SCR bisogna che la corrente tra anodo e catodo scenda sotto un valore minimo detto corrente di
mantenimento IH (holding current) o che si inverta la tensione tra anodo e catodo.
Questo tipo di funzionamento permette di pilotare un SCR (quindi grandi correnti) con correnti impulsive di breve
durata ma presenta una serie di complicazioni per l'innesco e lo spegnimento, in particolare
Per entrare in conduzione, è necessario superare la corrente di
latching IL;
Un SCR può entrare in conduzione anche senza
corrente di gate se la tensione tra anodo e catodo supera la
tensione di breakover VBO.
Questa condizione indesiderata di auto-innesco potrebbe
verificarsi anche in seguito a brusche variazioni di tensioni - ad
esempio per fenomeni induttivi - e va evitata ricorrendo a circuiti
smorzatori da porre in parallelo all'SCR
Per evitare
commutazioni indesiderate si inseriscono reti RLC (rete snubber) in cui l’induttanza
.
in serie si oppone alla variazione di corrente limitando la variazione di tensione
L’SCR può essere interdetto solamente riducendo momentaneamente a zero la sua corrente anodica,
o comunque al di sotto del valore minimo di aggancio o di tenuta.
Nei circuiti in alternata, lo spegnimento interviene automaticamente ogni volta che la sinusoide di
rete attraversa lo zero.
L'impulso di gate, regolato e sincronizzato con la tensione di alimentazione
con un apposito circuito di innesco, porta in conduzione l'SCR nella
semionda positiva, parzializzando la tensione e regolando così la potenza al
carico.
Si chiama con:
•angolo di innesco, quello che corrisponde al ritardo dell'impulso di corrente
•angolo di conduzione, quello durante il quale l'SCR conduce
Regolando l'angolo di innesco si ritarda l'entrata in conduzione dell'SCR
regolando la potenza.
Controllo di fase
Per il controllo di potenza dei motori in alternata si utilizza il controllo di fase
in cui si varia il valore efficace della tensione sul carico (utilizzatore), e come
conseguenza, la potenza assorbita.
Nei controlli di piccola potenza (corrente regolabile di 40A) viene utilizzato il TRIAK
mentre per potenze superiori vengono utilizzati due SCR (diodi controllati o tiristore)
collegati in antiparallelo
Il principio di funzionamento di un controllo simmetrico è che l’angolo di conduzione α
deve essere uguale sia nella semionda positiva che in quella negativa.
Il controllo, sincronizzato con la rete, permette di variare l’angolo di conduzione
determinando il valore di tensione desiderato sul carico.
Il sistema a controllo di fase caratterizzato da una notevole variazione di corrente in un intervallo di tempo breve
provoca una notevole produzione di segnali interferenti(radiodisturbi) ed inquinamenti nella rete di alimentazione
dell’energia elettrica (disturbi in rete). Con opportuni filtri è possibile ridurre questi fenomeni riportandoli entro limiti
definiti dalle normative.
Al fine di avere una corretta utilizzazione dei variatori è opportuno conoscere i limiti di funzionamento imposti dal tipo di
carico forniti dai costruttori del regolatore ( CARICHI OHMICI, - CARICHI INDUTTIVI -– CARICHI CAPACITIVI, ecc…) che
forniscono l’eccesso di corrente assorbita, la diminuzione della coppia, la potenza minima controllabile ecc..
Un possibile circuito che realizza il controllo di fase è quello in figura
Il ramo con la resistenza variabile e il condensatore permette di
innescare l'SCR nel momento desiderato (aumentando la R la carica
del condensatore rallenta e l'innesco avviene più tardi); il diodo fa sì
che la tensione sul gate sia solo positiva.
Nei circuiti n corrente continua si rende necessario l’uso di circuiti di
spegnimento aggiuntivi che
raggiungono lo scopo forzando la
polarizzazione inversa del componente,
solitamente mediante
condensatori che rendono la Vak negativa polarizzando inversamente
l’SCR
Le reti RC inserite in parallelo all’SCR vengono utilizzate nei sistemi
di controllo dei carichi induttivi per smorzare le brusche variazioni di
tensione limitandole anche in ampiezza
TRIAC e DIAC
I TRIAC sono dispositivi bidirezionali con caratteristiche e simili agli
SCR:
Si comportano come due SCR in antiparallelo con un unico terminale di gate. La caratteristica di un
TRIAC è simile a quella di un SCR ma si differenzia perché:


può condurre sia nel primo che nel terzo quadrante
il verso della corrente di gate non è importante e il TRIAC entra in conduzione sia con corrente
entrante che con corrente uscente
Come per l'SCR occorre tener conto della corrente di mantenimento IH, sotto la quale il TRIAC si spegne, e della
tensione di breakover VBO, oltre la quale il TRIAC si innesca anche in assenza di corrente sul gate.
I DIAC sono componenti bidirezionali come i TRIAC ma privi del terminale di gate. Senza una corrente di innesco
entrano in conduzione solo superando la tensione di breakover, che ha un valore tipico intorno ai 30 Volt. Il simbolo
di un DIAC è questo:
L'impiego più comune dei DIAC è nei circuiti di innesco dei TRIAC per generare una corrente di gate sincronizzata
con la tensione alternata che sarà parzializzata con il TRIAC.
Il circuito che segue contiene una TRIAC che regola la potenza su un carico (ad esempio una lampada) con controllo
di fase; per l'innesco viene utilizzato un DIAC.
Alcune osservazioni:







regolando R si ritarda l'innesco (aumenta l'angolo di innesco e diminuisce
quello di conduzione)
a innesco avvenuto il ramo con il condensatore risulta cortocircuitato
con un carico induttivo è necessario porre uno smorzatore RC in parallelo al
TRIAC (per una lampada o un carico resistivo non serve)
in questo tipo di applicazioni si usa sempre un filtro LC per limitare i disturbi dovuti alla forma d'onda della tensione
parzializzata
i valori di resistenza e capacità vanno dimensionati opportunamente
la regolazione non funziona bene per angoli di innesco elevati (potenze basse) e bisogna
ricorrere a circuiti di innesco più complicati
una resistenza posta tra DIAC e gate del TRIAC migliora le prestazioni (limita la corrente e
prolunga l'impulso di corrente per avere un innesco certo)
Pilotaggio dei dispositivi a semiconduttore in commutazione
Blanking time
Nei circuiti di comando con dispositivi antagonisti “ interruttori” se accesi contemporaneamente si
spreca tanta energia a seguito di una commutazione,. L’uso di un blanking time, tecnica che invia il
segnale di innesco su un interruttore che giunga in ritardo rispetto a quello di spegnimento, può
impedire questa situazione
Per realizzarla è sufficiente un comparatore a doppia soglia (si imposta una soglia per la
commutazione in salita e un’altra per la discesa).
Circuiti di snubber e soft switching
L’accensione e lo spegnimento di un dispositivo elettronico non è mai ideale: la presenza di
fenomeni parassiti (recovery di diodi interni “capacità del diodo di generare impulsi brevi”,
induttanze parassite) causano picchi di vario tipo su tensione e corrente.
I circuiti di snubber fungono da limitatori per implementare commutazioni
smorzate (soft
switching) per smorzare eventuali fenomeni elettrici critici che
sono conseguenza della
commutazione del circuito e possono mettere a repentaglio gli elementi del circuito stesso.
Tipicamente, gli snubber operano come:
• limitatori di sovracorrente all’accensione;
• limitatori di sovratensione allo spegnimento;
• limitatori di stress durante il funzionamento (per impedire che V e I siano contemporaneamente
elevate, e quindi la potenza sia alta).
L’AZIONAMENTO
Il convertitore statico
Raddrizzatori AC/DC
Raddrizzatori non controllati (sintesi).
Raddrizzattori semicontrollati
Raddrizzattori Controllati
ALIMENTATORI CC SWITCHING
Alimentatore chopper
Convertitori CC-CA "inverter«
PWM
Inverter VSI-PWM «VSI step six>
Convertitori CA CA
Armoniche
Il convertitore statico
La produzione industriale dell'energia elettrica viene fatta, come è noto, quasi
esclusivamente sotto forma di corrente alternata trifase. L'impiego della corrente alternata
(c.a) consente, tramite i trasformatori, un agevole adattamento dei livelli di tensione ai
valori che risultano di volta in volta più opportuni.
La scelta del sistema trifase deriva invece dalla sua maggiore economicità rispetto ad altre
soluzioni.
Esistono però:
- una serie di importanti applicazioni, sia industriali che civili, che richiedono alimentazioni
a corrente continua (c.c) o frequenza diversa da quella
di rete, (casi di applicazioni
elettrochimiche, delle linee di trasmissione a c.c., dei forni a induzione , dei sistemi di
carica degli accumulatori).
- quando è richiesta una rapida regolazione dell'ampiezza o della frequenza della corrente
erogata al carico (caso di molti alimentatori regolabili e degli azionamenti a velocità
variabile di motori a corrente continua o a corrente alternata)
- quando l’alimentazione deve essere garantita anche in caso di guasto della rete di
distribuzione (alimentazioni a continuità assoluta:sale operatorie, centri di calcolo, ecc.),
in cui si ha l'esigenza di operare una conversione dell'ampiezza della frequenza della
tensione di rete; a tale scopo e si chiamano convertitori (converters) i dispositivi capaci di
operare questa conversione
I convertitori statici, attualmente utilizzati, sono basati sull'impiego di interruttori elettronici
allo stato solido startici (diodi, transistori, tiristori, IGBT) le cui aperture e chiusure vengono
controllate in modo da operare la conversione desiderata.
Le di tensione che ne risultano sono spesso ricche di componenti armoniche indesiderate,
sicchè spesso i convertitori impiegano anche induttori o condensatori in funzione di filtri.
L'alimentazione del convertitore può essere continua o alternata e la sua uscita può
essere
ancora continua o alternata, a frequenza ed ampiezza fisse o variabili.
I legami tra tipo di energia in ingresso ed uscita dei diversi tipi di convertitore sono indicati
della seguente tabella riassuntiva:
Raddrizzatori AC DC
I raddrizzatori più comuni sono quelli a ponte in versione monofase o trifase; questi ultimi, pur essendo più
costosi, sono più diffusi in quanto presentano ondulazione di tensione e contenuto armonico di corrente molto
più piccoli.
Essi possono essere costituiti: da soli diodi (raddrizzatori non controllati), da diodi e SCR (raddrizzatori
semicontrollati), sono semplici e poco costosi ma possono operare in un solo quadrante poiché non consentono
l'inversione né della tensione né della corrente (casi tipici di utilizzazione si hanno negli azionamenti per
ventilatori e per pompe), o da soli SCR (raddrizzatori totalcontrollati), sono più complessi e costosi ma possono
funzionare in due quadranti in quanto consentono l'inversione della tensione.
Per ottenere il funzionamento in tutti e quattro i quadranti si devono utilizzare due raddrizzatori totalcontrollati
connessi in antiparallelo.
Nei raddrizzatori a ponte trifasi ad ogni istante solo due dei sei elementi (diodi o SCR) conducono: uno del
gruppo inferiore ed uno del gruppo superiore, purché non appartenenti allo stesso ramo
Se è costituito da diodi l'elemento conducente del gruppo superiore
é quello connesso alla tensione di
alimentazione più positiva (gruppo inferiorenegativa), se è costituito da SCR la conduzione avviene solo dopo
che é stato inviato un impulso di accensione al suo gate, In un periodo si verificano quindi sei commutazioni
alternativamente nella parte superiore e in quella inferiore del ponte.
Raddrizzatori non controllati monofase e trifase onda intera su carico resistivo
Il raddrizzatore o rectifier è un dispositivo che serve a raddrizzare un segnale alternato in un segnale unidirezionale
(sempre positivo o sempre negativo).
Il raddrizzatore, collegato ad altri componenti, è usato per trasformare la corrente alternata in corrente continua
Nei raddrizzatori non controllati la conduzione avviene in modo naturale in funzione delle caratteristiche del
segnale d’ingresso
Monofasi
trifase a semionda
trifase a onda intera
Un buon raddrizzatore deve avere un basso fattore di ripple; nel caso del raddrizzatore a semionda monofase r vale
1,21 (121% in forma percentuale), a onda intera r=48% trifase a semionda r=17,7% trifase a onda intera 5%
Si definisce con rendimento di conversione il rapporto fra la potenza continua fornita al carico (di tipo resistivo o di
tipo ohmico induttivo) e la potenza erogata dal generatore
Il raddrizzatore a onda intera sia monofase che trifase è migliore di quello a semionda in quanto consente un
aumento del valore medio, una riduzione del fattore di ripple e un miglior rendimento
Raddrizzatori
semicontrollati (R)
Il 50% dei Diodi sono sostituiti da SCR, la conduzione avviene attraverso un impulso di
innesco applicato agli SCR, lo spegnimento avviene come per i Diodi (“naturale”)
lI valor medio della tensione lato DC si può solo abbassare (rispetto al caso di raddrizzatore
non controllato a Diodi) e varia in funzione dell’angolo di innesco ®
Raddrizzatore controllato ad onda intera (R)
monofase e trifase
Derivano direttamente dai corrispondenti non controllati sostituendo tutti i diodi con SCR
• trifase a semi-onda (mezzo ponte)
• trifase ad onda intera (ponte completo)
il valor medio della tensione lato DC può essere solo abbassato (rispetto al caso di raddrizzatore non
controllato a Diodi) e varia in funzione dell’angolo di innesco
Il ponte trifase totalmente controllato puo lavorare anche sulle semionde
tensioni sinusoidali a seconda della posizione dell’angolo di innesco
negative
delle
- Per α < 90 la tensione media e positiva (raddrizzatore)
- Per α = 90 la tensione media è uguale a 0
- Per α > 90 la tensione media è negativa (inverter)
Per α = 0 si ha la massima tensione in uscita Raddrizzatori utilizzati nei motori elettrici DC
per potenze fino a 150 KW
alimentatori switching (convertitori CC/CC)
Nei convertitori in cui la la tensione di uscita non è controllata si ha la necessità di stabilizzarla al variare della
tensione di ingresso e del carico.
Esistono in commercio circuiti, chiamati regolatori switching, che sentono la tensione di uscita ed agiscono sul duty
cycle dell'interruttore in modo da stabilizzare Vout
IL principio di funzionamento si basa sull’interruzione del collegamento tra l’alimentazione e il carico elettrico in modo
che l’energia
venga
inviata al carico non con continuità ma attraverso una sequenza di onde rettangolari
controllando la durata delle quali è possibile variare la tensione media sul carico
I componenti utilizzati nella realizzazione dei convertitori sono condensatori e induttanze. Su di
essi (uno dei due componenti, o entrambi, a seconda dellavviene un procedimento ciclico di carica e
scarica che si ripete molte volte al secondo.
Per risolvere il problema di isolare il carico dalla rete viene introdotto un trasformatore di ridotte
dimensioni che deve lavorare alle alte frequenze
Il vantaggio di un alimentatore di tipo switching è il suo minore ingombro e maggiore efficienza.
Lo svantaggio è che si ha un ripple a frequenza intorno ai 50KHz che può creare problema di
rumore e in generale il circuito potrebbe creare problemi di compatibilità elettromagnetica.
Gli alimentatori buck (STEP-DOWN), boost STEP-UP) , Buck-boost (STEP-UP-DOWN) sono utilizzati
per convertire basse tensioni in altre basse tensioni, (da 20 volt a 12 volt, da 3 a 12 volt) gli
alimentatori Cuk converter sono usati per ottenere tensioni negative (da 12 v a -12 v)
L’uscita non è galvanicamente isolata dall’ingresso, assenza di un trasformatore, quindi non sono
utilizzabili per convertire dalla 220 direttamente al valore voluto.
I sistemi flyback e forward, il cui schema di principio sostanzialmente differerisce da quelli
esaminati fin ora dalla presenza di un trasforamtore, sono usati quando la tensione d’ingresso è
molto diversa dalla tensione d’uscita da ottenere.
Prevedono un piccolo trasformatore
dall’uscita a bassa tensione.
che isola galvanicamente la parte sotto alta tensione
Schema di un alimentatore switching del tipo
«Forward» per applicazioni in alta potenza
Schema di un alimentatore switching del tipo»
«flyback» per applicazioni in bassa potenza
Per alimentazioni trifasi si utilizzano chopper a ponte a transistori in cui la tensione di ingresso è fornita da una rete
trifase tramite un raddrizzatore a ponte trifase non controllato e la cui tensione di uscita è applicata al circuito di
armatura di un motore a corrente continua a eccitazione indipendente
Braking: frenatura
C: filtro di spianamento del ripple
( passa basso del secondo ordine)
Dei quattro interruttori del chopper, ognuno costituito da un transistore con
antiparallelo, solo due sono attivi contemporaneamente: T1T1’ oppure T2T2’.
un diodo in
I due transistori di ogni lato del ponte hanno un funzionamento complementare, se attivati allo
stesso istante potrebbero trovarsi entrambi per un breve periodo nello stato di conduzione, con
conseguente corto circuito.
Per evitare ciò è previsto un piccolo ritardo temporale, attraverso una porta NOT
inserita sulla base di uno dei due transistor,
tra l'istante in cui avviene il
passaggio dallo stato di conduzione a quello di interdizione di un transistore e
l'istante in cui avviene il passaggio inverso dell'altro transistore presente sulla
stessa gamba del ponte
Modulando contemporaneamente i transistori T1 e T1’ (regolandone cioè i tempi di apertura e di chiusura) e in modo
complementare i transistori T2 e T2’, si può regolare il valore medio della tensione di uscita in modo tale da ottenere
un controllo del moto in tutti e 4 i quadranti del piano C-Ω, conferendo al sistema alte prestazioni dinamiche con un
ondulazione di corrente che risulta però piuttosto elevata alle basse velocità.
Modulando invece un solo transistore per volta (ad esempio T1) e in modo complementare l'altro transistore della
stessa gamba (T2) l'ondulazione di corrente risulta minore, ma il controllo è limitato ad un solo quadrante e l'arresto
del motore avviene secondo le caratteristiche inerziali del carico applicato
Con la conduzione di T1 e T1’ si ha un funzionamento come motore (funzionamento nel primo quadrante), con la
conduzione di T2 e T2’ la macchina funziona come freno (Va > E: funzionamento nel quarto quadrante).
Nel secondo e terzo
verso opposto
quadrante
il funzionamento e simile con la differenza che la tensione la corrente hanno
Se si desidera realizzare un azionamento ad alta dinamica (robot, azionamenti per macchine utensili, ecc.) si devono
necessariamente utilizzare convertitori a commutazione forzata, cioè chopper a tiristori
Convertitore CC-CA Inverter
Il controllo del moto dei motori in corrente alternata trifasi (asincroni, sincroni, brushless)
avviene utilizzando convertitori statici di frequenza a
due stadi che operano una duplice
conversione passando per uno stadio intermedio a tensione/corrente continua.
Il convertitore lato rete (raddrizzatore) ha il compito di raddrizzare ed eventualmente regolare la
tensione o la corrente della rete di alimentazione, quello lato motore (inverter) ha invece il
compito di invertirle regolando la frequenza
ed
eventualmente
l'ampiezza
della
fondamentale
della tensione/corrente alternata in uscita.
Il convertitore lato rete è un raddrizzatore che può essere ti tipo a ponte trifase non controllato o
a ponte trifase controllato, gli inverter totalmente differenti nel loro comportamento sono di tipo
CSI «corrente impressa» o VSI «tensione impressa»
Nel 1° caso all’ingresso del convertitore (VSI) vi è un condensatore in derivazione per sostenere
la tensione costante, nel 2° caso (CSI) un induttore in serie per sostenere la corrente costante
Il controllo puo essere ad onda quadra in cui la tensione alternata in uscita presenta ampiezza
costante (onda quadra: ampiezza non controllabile), oppure può essere di tipo PWM in cui la
tensione alternata in uscita è ad ampiezza variabile (onda traingolare: segnale di controllo)
L’inverter a corrente impressa (CSI: current
source inverter), in
cui
l’ingresso
D.C
dell’inverter è assimilabile a un generatore di corrente continua (costante), è adatto per potenze
dell'ordine dei MW e utilizza in genere SCR a commutazione forzata con i relativi circuiti di
spegnimento.
E utilizzato con tecniche di controllo PWM o a onda quadra (six-step) ed è particolarmente
adatto per azionamenti di grande potenza funzionanti su quattro quadranti, che non richiedono
elevate prestazioni dinamiche ma il recupero dell'energia durante le fasi di frenatura.
E' costoso e comporta elevate ondulazioni di coppia a causa della forma d'onda praticamente
rettangolare della corrente che causano problemi di riscaldamento, coppie pulsanti e disturbi
elettromagnetici.
Il convertitore
è progettato infine
con un picco di potenza limitato che può essere
sostanzialmente inferiore a quello della macchina
Inverter a tensione impressa (VSI: voltage source inverter), in cui l’ingresso D.C dell’inverter è
assimilabile a un generatore di tensione continua «costante», è adatto per potenze che vanno dal
kW alle centinaia di kW e utilizzano in genere come dispositivi di potenza i transistor bipolari,
transistor ad effetto di campo (MOSFET) e anche IGBT
Tutti gli inverter VSI sono dotati di una resistenza di frenatura
in serie ad un transistor,
disposta nello stadio
intermedio tra raddrizzatore e inverter in parallelo al condensatore di
spianamento.
Per l’inverter a tensione impressa, la strategia di controllo è del tipo PWM.
Sia l’inverter CSI sia l’inverter VSI permettono alla potenza e alla corrente di circolare in due
direzioni; l’inversione della rotazione dell’azionamento non presenta alcun problema in quanto il
cambiamento nella rotazione delle fasi è semplicemente ottenuto cambiando la sequenza di
commutazione degli interruttori statici nell’inverter.
La scelta fra questi due metodi influenza il comportamento e le caratteristiche dell’azionamento in
modo fondamentale.
Controllo PWM (motori cc)
Un inconveniente del controllo di velocità lineare consiste nel fatto che il transistore
che pilota il motore è chiamato a dissipare una notevole potenza, specie alle basse
velocità, abbassando così il rendimento del sistema, inteso come rapporto fra la
potenza fornita al motore e la potenza erogata dall'alimentazione.
Per ridurre il valore della corrente di base, spesso al semplice BJT si sostituisce una
configurazione Darlington.
Questo inconveniente viene superato facendo lavorare il transistore in regime impulsivo, ossia in
commutazione. In questo caso infatti la dissipazione di potenza è di molto inferiore, poiché si verifica
o nella fase in cui il transistore è in saturazione, e quindi con bassa tensione ai suoi capi, o nella fase
di commutazione, normalmente molto breve.
In particolare con la tecnica di controllo basata sulla modulazione a larghezza dì impulsi (PWM: pulse
width modulation) si ha un efficace controllo della velocità del motore
Quest'ultimo viene alimentato con una tensione di armatura va che, anziché
continua, a un
andamento rettangolare o impulsivo, con ampiezza vam e periodo T costante e ciclo dì utilizzo (duty
cycle) variabile.
Con questo controllo la velocità e la coppia resa dipendono sostanzialmente dal valore medio Vm
della tensione di armatura, che a sua volta dipende dal duty cycle secondo la relazione
.
Vm = (ton/T)Vam
Controllo di velocità ad anello chiuso.
Il circuito
ad anello aperto,
non consente un'autoregolazione della velocità; questa
importante caratteristica è invece presentata dal circuito ad anello chiuso
in figura
Un amplificatore dì errore sente la differenza fra una tensione di
riferimento Vi e la tensione di reazione Vf generata da un tachimetro
collegato al motore, producendo in uscita una tensione di errore Ve
Se, per un aumento della coppia di carico applicata al motore o una
diminuzione della tensione di alimentazione, diminuisce la velocità
del motore, cala anche la tensione Vf prodotta dal tachimetro, cresce
di conseguenza Ve e quindi aumenta il duty cycle dell'uscita Vo del
comparatore.
Il circuito permette il controllo di velocità in PWM,
attraverso
la gestione di V e I
che attraversano il
motore
Tra gli integrati appositamente previsti per il controllo in PWM dei motori in DC, si ricorda in particolare lo L292
della ST Microelectronics, che è capace di lavorare con tensioni tra 18 e 36 V, con una corrente massima di 2 A
(senza aggiunta di dispositivi di potenza esterni).
Controllo della velocità di un MAT
Con la tecnica PWM (Pulse-Width Modulation) si costruisce una forma d’onda molto prossima alla sinusoide
(fondamentale).
Gli impulsi che vengono generati hanno ampiezza costante, ma larghezza variabile dipendente dall’ampiezza della
modulante (onda sinusoidale).
Gli istanti di chiusura e apertura degli interruttori elettronici del convertitore (transistori, gto, mosfet) vengono imposti in
modo da ottenere la fondamentale voluta ed eliminare le armoniche indesiderate.
Più alta è la frequenza della portante «segnale triangolare», minore risulta il contenuto delle armoniche della tensione
generata dal convertitore.
La modulante, prodotta nel blocco di controllo del sistema « amplificatore di potenza inverter), convertitore è
produce una tensione di uscita variabile sia in ampiezza, sia in frequenza,
Questo consente di utilizzare il motore trifase sia a coppia costante (controllo U-f), sia a potenza costante (controllo
di frequenza e modulo della tensione costante).
Se si adottano sistemi di controllo alimentati da generatori di corrente, anziché dai generatori di tensione (CSI) sul
carico si inietta una corrente, variabile in ampiezza e in frequenza.
Tra le diverse tecniche PWM basate sull'elaborazione di segnali analogici la più impiegata é quella
della sottooscillazione sinusoidale in cui le commutazioni avvengono in corrispondenza delle intersezioni di
due segnali (portante e modulante) con ampiezze e frequenze di valore opportuno
Il rapporto ottimale tra le frequenze delle
due tensioni
consente di minimizzare l'effetto
delle armoniche sul funzionamento del motore migliorandone il rendimento e riducendo le perdite
per commutazione
Nei MAT il controllo della velocità con la modulazione PWM con inverter comporta il controllo dei seguenti
parametri vs Velocita di sincronismo 𝑓 è la frequenza dell’inverter, 𝑠 è lo scorrimento 𝑝 è il numero
di coppie di poli del motore e della Im corrente media che scorre nell’avvolgimento di statore
legati fra di loro dalla seguente espressione
.
Inverter VSI-PWM
E' il tipo di inverter attualmente più diffuso é costituito da un raddrizzatore a ponte trifase non
controllato, da un filtro L-C con una batteria di condensatori
di bassa
capacità per livellare la
tensione,
da un inverter lato motore con tre interruttori attivi che regolano sia la frequenza
che l'ampiezza della fondamentale della tensione
Per evitare il corto circuito della
sorgente continua in ingresso,
il
comando dei due
interruttori di
ramo
deve
essere
di
tipo
complementare, come
indicato in Figura
Negli interruttori reali (tempi di apertura e chiusura non nulli) è previsto un tempo morto
("dead time”) per garantire che ciascun interruttore di ramo sia effettivamente aperto quando
l'altro chiude.
Le tensioni concatenate di alimentazione dell’inverter sono costituite da una successione di
impulsi (positivi e negativi) di ampiezza uguale alla tensione continua di ingresso e di larghezza
variabile.
Modulando opportunamente la durata di ciascun impulso si regola l'ampiezza
della
fondamentale di tensione ( e si spostano nel contempo le armoniche verso frequenze molto più
alte, ottenendo così, grazie alla più energica azione di filtraggio dell'induttanza di dispersione
del motore, una corrente pressoché sinusoidale rispetto al caso di inverter six-step.
«L'inverter VSI six-step è costituito da:
- un raddrizzatore a ponte trifase totalcontrollato ad SCR lato rete che raddrizza
la tensione e ne
regola il valore medio;
- un filtro L-C nel circuito intermedio, con una batteria di condensatori di elevata capacità per livellare la
tensione raddrizzata e fornire una via per le correnti rapidamente variabili prelevate dall'inverter;
- un inverter lato motore, costituito da tre lati in ognuna delle quali sono disposti due interruttori
funzionanti in modo complementare, che fornisce una terna simmetrica di tensioni concatenate in
onda quadra
- Il funzionamento di tale inverter consiste nel mantenere in stato di conduzione per metà periodo
uno dei due interruttori di un lato e per l'altra metà l'altro interruttore; in modo analogo ma sfasati
nel tempo sono fatti funzionare gli interruttori dei altre due lati.»
Pertanto, gli azionamenti con inverter PWM presentano, rispetto a quelli con inverter six-step,
molteplici vantaggi (che dipendono dal numero e dalla posizione delle commutazioni, tra cui:
migliori prestazioni dinamiche, minore inquinamento in rete, maggiore rendimento e quindi minore
declassamento del motore, ecc..
Tali vantaggi sono ottenuti a spese di un circuito di controllo più complesso, di più alte perdite di
commutazione e di un maggior rumore acustico (che può essere eliminato spostando la frequenza di
commutazione nella zona non udibile >16 kH
Convertitori ca/ca.
I convertitori statici che eseguono la conversione diretta ca-ca senza stadio
intermedio in corrente continua appartengono a due tipologie:
- parzializzatori di tensione modificano solo l'ampiezza della
fondamentale
della tensione di uscita agendo sui ritardi di
innesco degli SCR, In questo é possibile parzializzare in più o meno la
tensione di alimentazione e quindi variare
il valore efficace della
componente fondamentale della tensione di alimentazione
Tale sistema di regolazione é particolarmente adatto per ottenere piccole variazioni della velocità di pompe e ventilatori
entro limiti del 10% in meno della velocità a pieno carico e consente di limitare la corrente di spunto. Presenta però i
seguenti inconvenienti: rendimento, fattore di potenza e coppia di spunto ridotti, notevole inquinamento della rete di
alimentazione e sensibili stress termici e meccanici del motore.
Cicloconvertitori modificano sia l'ampiezza che la frequenza della fondamentale della tensione di
uscita mediante una opportuna successione di impulsi di accensione ripetuta ciclicamente si riesce a variare nel
tempo il “valor medio della tensione raddrizzata”, approssimando una forma d'onda sinusoidale di ampiezza e
frequenza voluta.
possono essere vantaggiosamente utilizzati per alimentare, in un campo di frequenze più basse (< 1/3) di quella della
rete di alimentazione, motori asincroni o sincroni in applicazioni di elevatissima potenza (5-20 MW) con forti coppie e
basse velocità, quali ad esempio laminatoi o mulini per cementifici.
Pregi: reversibilità in tensione e corrente;, elevato rendimento, ripple di coppia abbastanza contenuti Difetti: basse
frequenze in uscita rispetto, complessità del circuito di controllo, basso fattore di potenza ed elevato contenuto
armonico
Armoniche.
Per proteggere gli utenti dagli effetti delle armoniche causate dai carichi non lineari, le aziende
distributrici hanno stabilito che ogni utilizzatore deve, mediante l'adozione di idonei dispositivi,
ridurre le armoniche ad un livello tale da non superare determinati valori del fattore di distorsione
totale THD, che per i sistemi a bassa tensione è l'8%.
Si devono adottare alcune delle seguenti strategie per ridurre il livello di contenuto armonico della
corrente.
1) Utilizzare dove possibile raddrizzatori trifasi, che comportano correnti con un contenuto
armonico minore (circa il 30%) di quello dei monofasi di pari potenza.
2) Inserire induttanze addizionali in serie all'ingresso di un azionamento.
3) Utilizzare raddrizzatori con un numero di impulsi il più alto
pari ad N la più bassa armonica presente è la (N-1)
4)
possibile; con numero di impulsi
Utilizzare filtri armonici passivi costituiti da più rami LC connessi in parallelo al carico da
filtrare.
5) Utilizzare filtri armonici attivi, cioè dispositivi che praticamente annullano la
distorsione nel
nodo a cui sono collegati iniettando nella rete correnti armoniche uguali ma di fase opposta alle
correnti da filtrare
6) Sostituire al raddrizzatore a ponte a diodi o ad SCR uno stadio di ingresso attivo con inverter a
IGBT