FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO. PROGRAMMA PREVENTIVO A.A. 2012/13 Il corso tratta i diversi...

CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA MECCANICA

Corso diMACCHINE E AZIONAMENTI ELETTRICI

Docente: Ing. Antonella Nagliero

FACOLTA’ DI INGEGNERIA DI TARANTO

PROGRAMMA PREVENTIVO A.A. 2012/13Il corso tratta i diversi aspetti caratteristici delle macchine e degli azionamenti elettrici, utilizzati essenzialmente in applicazioni di automazione industriale e di trazione. Partendo dalle cognizioni di base sui motori elettrici e sulle apparecchiature di elettronica di potenza, utilizzate per l’alimentazione ed il controllo di tali motori, si giunge alla caratterizzazione dell’azionamento elettrico come sistema e all’esame di alcuni esempi significativi di schemi di azionamenti utilizzati per il controllo di velocità e/o di posizione.

L'azionamento elettrico e i suoi componentiLe macchine elettriche e gli azionamenti a velocità variabile per applicazioni di automazione industriale e di trazione elettrica. Schema a blocchi, problematiche di regolazione della velocità e specifiche di un azionamento. Caratterizzazione del carico meccanico. I convertitori statici di potenza per l'alimentazione e il controllo di motori elettrici. Cenni sui componenti elettronici di potenza. Principali caratteristiche di un sistema di controllo. Sistemi ad anello aperto e ad anello chiuso. Uso dei microprocessori e controllo digitale. Sensori e trasduttori.Azionamenti con motori in corrente continua Motori in c.c.: principio di funzionamento, caratteristiche statiche, frenatura elettrica, funzionamento nei quattro quadranti. Convertitori c.a./c.c.: schemi e analisi del funzionamento dei principali raddrizzatori controllati. Convertitori c.c./c.c.: principio di funzionamento. Motori in c.c. alimentati da convertitori. Schemi di azionamenti con motori in c.c. per funzionamento nei diversi quadranti.Azionamenti con motori asincroni Motori asincroni: principio di funzionamento, caratteristiche statiche, frenatura elettrica, funzionamento nei quattro quadranti. Regolazione della velocità mediante variazione della tensione o della frequenza di alimentazione. Convertitori c.c./c.a.: schemi e analisi del funzionamento dei principali invertitori (a tensione impressa ad onda quadra o di tipo PWM). Convertitori c.a./c.a.: classificazione e principio di funzionamento. Metodi di controllo scalare e schemi di azionamenti con motori asincroni a controllo scalare. Cenni sul controllo vettoriale.


AZIONAMENTO ELETTRICO

MOTORE ELETTRICOConverte energia elettrica in energia meccanica

Caratteristiche meccaniche di un motore elettrico e di un carico meccanico,

in assenza di controllo


TL : coppia di carico

Tm: coppia motrice



AZIONAMENTI ELETTRICO sistema composto da:- attuatori elettrici i motori elettrici - convertitore di potenza - sensori e trasduttori - carico meccanico

Caratteristiche meccaniche di un motore elettrico e di un carico meccanico,con regolazione discreta di velocità


AZIONAMENTO ELETTRICOSettori applicativi : elettrodomestici, trazione ferroviaria, impiantistica industriale e civile (pompe, ascensori, ... ), robot industriali, macchine a controllo numerico, strumentazione elettronica, periferiche di calcolatori (testine di stampanti, unità dischi, scanner, ...), accessori automobilistici (vetri elettrici, tergicristalli, pompe della benzina) e molti altri. I motori funzionano prevalentemente a velocità e carico costanti o prefissati o al massimo selezionati tra un piccolo insieme di valori (si pensi, ad esempio, alle pompe, ai ventilatori, ecc ... ). In altri casi il funzionamento è tipicamente intermittente, ad esempio: trapani, alza cristalli elettrici, ascensori. Talora il funzionamento è ciclico, ad esempio all’interno di una macchina automatica.Infine, ci sono situazioni in cui il moto è tipicamente vario, ad esempio trazione elettrica, robotica industriale.

In alcune applicazioni è necessario regolare la velocità del motore (ad esempio mandrino di un trapano, pompa, ventilatore) ed altre in cui il motore va pilotato in posizione (ad esempio assi di un robot industriale o di una fresa a controllo numerico), più raramente si utilizza un controllo di coppia.Talvolta la regolazione è grossolana (ad esempio ventilatore acceso/spento a una o due velocità), altre volte è richiesta una regolazione molto precisa (ad esempio macchina a controllo numerico).Per far fronte a questa enorme varietà di esigenze sono state sviluppate differenti tipologie di motori e di relativi sistemi di regolazione.Lo sviluppo dell’elettronica analogica e digitale ha permesso la realizzazione di azionamenti più sofisticati nonché l’estensione del campo d’impiego dei motori esistenti.


CARATTERIZZAZIONE DI UN AZIONAMENTO ELETTRICO

SPECIFICA DEL SISTEMA Tipo e caratterizzazione del carico meccanico Valori caratteristici (o campi di variazione) della velocità e/o della coppia Quadranti di funzionamento Caratteristiche di avviamento (a pieno carico, a carico ridotto, a vuoto) Possibilità di realizzare la frenatura elettrica, e con quali caratteristiche Condizioni ambientali

PRESTAZIONI DESIDERATE DALL’AZIONAMENTO

Precisione richiesta nel funzionamento a regime Comportamento dinamico Prestazioni in regime transitorio, in corrispondenza di andamenti predefiniti della velocità o della coppia


CARICO MECCANICO

MOTOMMM

MOTORE ELETTRICO

CARICO MECCANICO

Tm TLωn

Tm : coppia meccanicaTL : coppia resistente del caricoωn : velocità di rotazione

Coppie resistenti del carico :TF: coppia di attritoTW: coppia di ventilazioneTS: coppia di inerziaTU: coppia utile

2W W nT k

FW L nT B

nS L

dT J

dt

nn

d

dt

nFW L

dT B

dt

2

2n

S L

dT J

dt

( )nL L L n U n

dT J B T

dt

Hp: accoppiamento rigido e diretto


ESEMPI TIPICI DI CARICHI MECCANICI


EQUILIBRIO MECCANICO

nEM M M n L

dT J B T

dt

TEM: coppia elettromagnetica del motore

2

2

( )

( ) ( ) ( )

( )

( )

n nEM M M n L L n U n

nEM M L M L n U n

nEM n U n

n nEM U n

d dT J B J B T

dt dtd

T J J B B Tdt

dT J B T

dt

d dT J B T

dt dt

J: momento d’inerzia complessivoB: coefficiente di attrito e ventilazione complessivo


ACCOPPIAMENTO NON DIRETTO

ωm : velocità di rotazione del motoreωL : velocità di rotazione del caricov: velocità periferica

D1 D2

1 2 1

2

1 2

1

2

2 2m L L m

L m

D D Dv

D

D D

Drapporto di trasferimento

D

1

2

1 1

2 2

( )

( )

Lm m L L m L L

m

mL L L m U m

mL L L m U L

DT T T T T

D

dT J B T

dtdD D

T J B TD dt D

2 2

1 1 1 1

2 2 2 2

2 2

' ' '1 1 1

2 2 2

' ' '

( )

; ; ( ) ( )

( )

mm L L L m U L

L L L L U L U L

mm L L m U L

dD D D DT T J B T

D D dt D D

D D DJ J B B T T

D D D

dT J B T

dt

' ' '( ) ( ) ( )mem M L M L m U L

dT J J B B T

dt


QUADRANTI DI FUNZIONAMENTO

CARICO PASSIVO: non ha energia propria ad eccezione dell’energia cinetica della rotazione. E’ possibile convertire l’energia meccanica in energia elettrica a scapito della velocità di rotazioneCARICO ATTIVO: il carico può funzionare in tutti e 4 i quadranti di funzionamento

MOTORE INMARCIA AVANTI

FRENATURA INMARCIA AVANTI

FRENATURA INMARCIA INDIETRO

MOTORE INMARCIA INDIETRO

Tm

ωn

III

IVIII

IV quadranteSe P1>P2 dovremo applicare una coppia frenante per far salire P1

Tm

ωn


CARICO ATTIVO

I quadranteSe P1<P2 dovremo applicare una coppia altrimenti P1 tenderebbe a salire

Tm

ωn

II quadranteSe P2>P1 dovremo applicare una coppia frenante per far salire P1

Tm

ωn


CARICO ATTIVO

III quadranteSe P1>P2 il carico tende a scendere, bisogna applicare una coppia nello stesso verso della velocità affinché P1 possa salire

Tm

ωn


MOTORE ELETTRICO

CORRENTE CONTINUA

CORRENTE ALTERNATA

ASINCRONI (motori a induzione): - robusti- affidabili- non sono immediatamente controllabiliSINCRONI (motori brushless o a magneti permanenti):- coppie elevate in spazi ristretti- più costosi- prestazioni migliori

MONOFASE

TRIFASE


CAMPO DI FUNZIONAMENTO DI UN MOTORE ELETTRICO

ωB : velocità base o nominaleωMAX : velocità massima

La regolazione della velocità si divide in due regioni:I) 0≤ ωm ≤ ωB

Si sviluppa la coppia massima TMAX che il motore è in grado di fornire in condizioni di corretto funzionamento (senza riscaldamento dei componenti)II) ωB ≤ ωm ≤ ωMAX

la coppia è inversamente proporzionale alla velocità poiché in questo intervallo si ha un funzionamento a potenza costante .


CAMPO DI FUNZIONAMENTO DI UN MOTORE ELETTRICO

- In un verso o nell’altro il valore di ωB non cambia-La regione di funzionamento dipende dalle caratteristiche del motore, ma deve essere compatibile con il carico meccanico- Tale caratteristica vale in regime continuativo, ma può essere modificata in regime transitorio.


REGOLAZIONE DELLA VELOCITA’


CONVERTITORE DI POTENZA

Il convertitore di potenza in ingresso al motore ha una doppia funzione:- adattare l’alimentazione primaria prevista a quella richiesta dal motore- manipolare le grandezze in ingresso al motore per effettuare la regolazione-- manipolare le grandezze in uscita, perciò sono detti controllati


SEMICONDUTTORI DI POTENZA

COMPONENTI NON CONTROLLATI COMPONENTI SEMI-CONTROLLATI COMPONENTI TOTALMENTE CONTROLLATI I componenti non controllati sono:- Diodi- Diodi a ripristino veloce- Diodi SchottkyI componenti semi-controllati (con possibilità di controllo solo dell’accensione) sono:- Tiristori- TriacI componenti totalmente controllati sono:- Transistor di potenza- GTO

BJTMOSFETIGBT


SEMICONDUTTORI DI POTENZA

CARATTERISTICHE

Capacità di controllo sia dell’innesco che dello spegnimento

Bassa caduta di tensione in senso diretto (per avere piccole perdite di conduzione)

Bassi tempi di commutazione (per avere piccole perdite di commutazione)

Elevata densità di corrente (per minimizzare dimensione e costo del componente)

Bassa potenza richiesta dal circuito di gate (Driver di pilotaggio)

Bassa resistenza termica


DIODO

Il diodo ha due terminali: anodo e catodo.Se Vd>Vs (tensione di soglia) il diodo è polarizzato direttamente e Id>>0Se Vd<0 il diodo è polarizzato inversamente e Id≈0Se Vd<0 e in modulo abbastanza elevato, il diodo opera in regione inversa di breakdown (rottura): se la temperatura a cui opera il dispositivo non è troppo elevata, questa condizione non è distruttiva per il dispositivo.Quando polarizzati inversamente, invece di impedire completamente il passaggio di corrente vengono attraversati dalla corrente di saturazione inversa, il cui valore è legato all'area del dispositivo ed alla concentrazioni del drogante. Con l'aumentare del modulo della tensione inversa fino ad un certo valore (detto tensione di Zener ), che può andare da alcuni Volt ad alcune decine di Volt, la corrente aumenta in modulo molto rapidamente: tale regime di funzionamento è detto tensione di rottura o di breakdown.

• I diodi di potenza sono di tre tipi:• 1) per applicazioni generiche • 2) ad alta velocità• 3) Schottky

Diodi standard, general-purpose:- tempi di reverse recovery piuttosto alti, nell’ordine dei 25us- vengono tipicamente utilizzati in circuiti funzionanti a bassa frequenza (raddrizzatori e convertitori fino a 1kHz). - Le correnti dirette a cui possono lavorare vanno da 1A a migliaia di A, mentre le tensioni di rottura vanno da 50V a 5kV.Diodi a ripristino veloce (fast recovery diodes): - trr dell’ordine dei μs; - applicazioni per convertitori di potenze considerevoli con frequenze di commutazione elevate: convertitori dc-dc e dc-ac - Correnti massime (fino a centinaia di A) e tensioni di rottura (fino a 3kV)


DIODO


DIODODiodi Schottky: -bassa caduta di tensione diretta (≈0.3 V) ma anche tensione limite inversa limitata (50÷100 V);- I diodi Schottky sono dei diodi molto veloci (<50ns). -Sono i candidati ideali per applicazioni ad alte correnti e basse tensioni.

Diodi in carburo di silicio (SiC):-Possono anche operare a temperature notevolmente superiori a quelle possibili con i diodi in silicio (tipicamente inferiori a 150°C).- I diodi in SiC attualmente in commercio hanno correnti massime nell’ordine delle decine di A e tensioni di breakdown di 1-2kV. I tempi di reverse-recovery sono praticamente nulli.


COMPONENTI SEMI-CONTROLLATI (CON POSSIBILITÀ DI CONTROLLO SOLO DELL’ACCENSIONE)

Raddrizzatore Controllato al Silicio (SCR= Silicon Controlled Rectifier) è il componente principale dei convertitori di più elevata potenza ed in generale della maggioranza dei convertitori alimentati in corrente alternata.

Un tiristore ha tre terminali: anodo, catodo e gate.

E’ possibile omandare la chiusura o l’innesco, mediante un opportuno segnale di pilotaggio applicato all’elettrodo di controllo.

Una volta innescato, un tiristore si comporta come un diodo non controllato e non è più influenzato dalla tensione applicata all’elettrodo di controllo. L’apertura del tiristore, o spegnimento, è determinata solo dalle caratteristiche del circuito di potenza in cui è inserito.

Aumentando il valore della corrente di controllo Ig l’innesco del tiristore avviene per valori della tensione anodica minori di Vd: per un opportuno valore di Ig che dipende dal tipo di tiristore utilizzato, l’innesco avviene appena la tensione anodica diventa positiva, e la caratteristica esterna del tiristore diviene simile a quella di un diodo.

TIRISTORE


TRIAC

Dispositivo a tre terminali, di cui due sono detti anodi e sono la via di passaggio per la corrente controllata, mentre il terzo, definito gate, è l'ingresso di controllo. Idealmente il Triac equivale a due SCR collegati in antiparallelo con il gate in comune. E’ possibile gestire elevate potenze con piccoli segnali di comando e con limitata dissipazione di calore.


COMPONENTI TOTALMENTE CONTROLLATITRANSISTOR DI POTENZA

BJT (Bipolar Junction Transistor)

I transistor bipolari nelle applicazioni di potenza sono del tipo “npn”. La corrente può fluire in una sola direzione Nel funzionamento a regime si può definire un area di sicurezza, limitata da quattro curve. L’area di sicurezza è una caratteristica importante nella realizzazione di un sistema di potenza e può riferirsi all’accensione o allo spegnimento. Sono disponibili transistor di potenza BJT per tensioni e correnti fino ai 1200V e 800A con una capacità di commutazione che va oltre i 10kHz.



MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

Sono transistor di potenza ad effetto di campo, controllati in tensione; la capacità di condurre è affidata solo ai portatori di carica maggioritari. Grazie a questa caratteristica sono caratterizzati da tempi di accensione e spegnimento molto più piccoli di quelli dei BJT e possono lavorare a frequenze di commutazioni molto più elevate con perdite più contenute. Tuttavia non possono gestire alte potenze.Il loro campo di applicazione si restringe pertanto a tensioni e correnti di 500V e 50A. Le frequenze di commutazione superano, invece, i 20kHz.



IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) L’architettura è quella di un MOSFET di cui eredita le caratteristiche di alta impedenza unite, però, a quelle di conduzione tipiche di un BJT. Le caratteristiche costruttive fanno sì che esso presenti la possibilità di condurre una densità di corrente superiore a quella di un BJT o di un MOSFET. Altri vantaggi sono dati dalla capacità di adattare basse perdite di conduzione e basse perdite di commutazione nei circuiti di potenza; Gli IGBT riescono, quindi, a funzionare con tensioni e correnti fino a 1200V e 400A con frequenze di commutazione superiori ai 20kHz.

dispositivo potenza pilotabile velocità di commutazione

BJT/MDMOSFETIGBT

MediaBassaMedia

MediaAltaMedia



IPM

dispositivi di potenza “intelligenti” IPM, ottenuti dall’integrazione di un IGBT e di un diodo a recupero veloce riduzione delle dimensioni, per un basso rumore operativo elevati livelli di funzionalità migliore efficienza i pilotaggi e le protezioni sono messi in un alloggio compatto per elevate conversioni di potenzasi presta alla realizzazione di sistemi di potenza integratiCRITERI DI SCELTA

Sono disponibili i singoli dispositivi con i diodi di ricircolo in antiparallelo, due dispositivi in serie così da formare una gamba di un invertitore oppure i ponti monofase o trifase completi. La scelta del dispositivo di commutazione si basa sulla tensione e corrente massima che dovranno sopportare nella applicazione in cui verranno impiegati e quindi sulla conoscenza della loro alimentazione e del loro carico. Un altro parametro essenziale è la frequenza di commutazione. All'aumentare di questa aumentano le perdite e quindi è necessaria una aletta di raffreddamento più grande o ricorrere al raffreddamento forzato mediante ventola. La dissipazione quindi crea problemi di ingombro e abbassa il rendimento. Di conseguenza bisogna mediare tra le esigenze di una buona forma d'onda in uscita (alte frequenze di commutazione) e un rendimento del convertitore che ne renda conveniente l'uso (moderate frequenze di commutazione).


CONTROLLO DI UN AZIONAMENTO ELETTRICO

Il sistema di controllo è il “cervello” di un azionamento elettrico. Permette di determinare, istante per istante, il valore delle grandezze di comando del convertitore statico di potenza che a sua volta alimenta il motore dell’azionamento. Il dispositivo di controllo può essere realizzato con circuiti di tipo analogico o con microprocessori. L’impiego del microprocessore diviene realmente vantaggioso solo quando le sue capacità di elaborazione on-line rendono possibile l’impiego di strategie di controllo che elevano le prestazioni dell’azionamento. Il dispositivo di controllo può essere suddiviso in 3 blocchi funzionali:1- il generatore del riferimento2- la legge di controllo3- il dispositivo di misura Il generatore del riferimento ha il compito di fissare in ogni istante il valore della grandezza di comando dell’azionamento. La legge di controllo ha il compito di calcolare, in base alla strategia di controllo prefissata, il valore delle grandezze di comando del convertitore in funzione sia del valore delle grandezze di comando dell’azionamento sia dei segnali che provengono dai dispositivi di misura (feedback). Il dispositivo di misura comprende sia i sensori e trasduttori delle grandezze elettriche e meccaniche da misurare, sia le relative elaborazioni.



La strategia di controllo ha come obiettivo quello di consentire che le prestazioni desiderate dall’azionamento possano essere soddisfatte. Per definire una strategia di controllo è necessario conoscere:- il tipo di carico al fine di determinare i campi di variazione della velocità e della coppia;- il tipo di comportamento dinamico previsto;- la precisione richiesta durante il funzionamento a regime;- la prestazione richiesta in regime transitorio in corrispondenza di andamenti definiti della velocità. Nella scelta della strategia di controllo una prima distinzione va fatta tra:- Controllo ad anello aperto- Controllo ad anello chiuso


REGOLATORI I regolatori sono gli elementi di un anello di controllo mediante i quali viene realizzata la legge di controllo richiesta. Costituiscono la “parte intelligente” di un sistema controllato.Hanno il ruolo di assicurare al sistema: - il comportamento desiderato nelle diverse condizioni di carico- la precisione della risposta del sistema - la stabilità del sistema. I regolatori sono caratterizzati:- dalla loro risposta transitoria- dalla loro equazione nel dominio del tempo- dalla loro risposta in frequenzaRisposta transitoria: è la forma d’onda del segnale di uscita da un regolatore quando in ingresso si invia un segnale a gradino unitario.Equazione nel dominio del tempo: è l’equazione che descrive la relazione tra variabili in ingresso e variabili in uscita al regolatore, in funzione del tempo.Risposta in frequenza (per un sistema lineare): è uguale al rapporto fra la soluzione parziale non omogenea della variabile in uscita rispetto alla variabile in ingresso al regolatore, quando l’ingresso è una sinusoide pura. Per ottenere l’equazione di risposta in frequenza che descrive la risposta transitoria di un sistema è sufficiente applicare la trasformata di Laplace all’equazione differenziale del sistema.Funzione di trasferimento: è il rapporto tra il valore della variabile in uscita e il valore della variabile in ingresso, espressi in termini della loro trasformata di Laplace.I regolatori lineari elementari sono:- regolatori ad azione proporzionale (regolatori di tipo P)- regolatori ad azione integrale (regolatori di tipo I)- regolatori ad azione differenziale (regolatori di tipo D)I precedenti modi possono essere combinati insieme per realizzare i regolatori comunemente utilizzati nei sistemi di controllo (regolatori di tipo PI, regolatori di tipo PD, regolatori di tipo PID)


SENSORI E TRASDUTTORI

Convertono la variabile in ingresso da rilevare in un segnale adatto per la misura Gli elementi principali da prendere in esame per la scelta di un sensore sono:- la grandezza da misurare - il campo di misura- la risoluzione (il minimo valore incrementale in ingresso che può essere discriminato)- la precisione- la sensibilità ( il rapporto tra la variazione in uscita e la variazione in ingresso che l’ha determinata)- tempo di risposta- temperatura di lavoro- risposta in frequenza- durata di vitaSensori e trasduttori presenti in un azionamento elettrico sono:• Sensori di tensione e di corrente (Effetto Hall)• Sensori di temperatura• Sensori di posizione• Sensori di velocità (Dinamo tachimetrica, Encoder)• Sensori di flusso


SENSORI E TRASDUTTORI

ENCODER

E’ costituito da un disco forato solidale al corpo del quale si vuole misurare la posizione angolare. Vi è una sequenza di fori ed un sensore luminoso per ogni canale. Ogni sequenza di fori è opportunamente disposta su cerchi concentrici; i fori possono essere sostituiti da alternanza di zone opache e trasparenti. A seconda della posizione angolare del disco forato uno o più sensori vengono illuminati. L'uscita dell'encoder è digitale su più canali, uno per ciascuno dei sensori, oppure seriale (normalmente per encoder assoluti). La risoluzione di questo strumento aumenta all'aumentare del numero di fori presenti sul disco.


MACCHINA A CORRENTE CONTINUA


CONTROLLO DI VELOCITA’ DI UNA MACCHINA A CORRENTE CONTINUA


CONTROLLO DI CORRENTE DI UNA MACCHINA A CORRENTE CONTINUA



Closed -loop



Controllo di corrente in anello chiuso (flusso indebolito)


MOTORI IN CORRENTE ALTERNATA

- MOTORI SINCRONI- MOTORI ASINCRONI O A INDUZIONE • MOTORI CON ROTORE AVVOLTO

• MOTORI CON ROTORE A GABBIA DI SCOIATTOLO (IN CORTOCIRCUITO)

Motore Asincrono Trifase con rotore avvolto; a sinistra, i 3 anelli rotorici Motore Asincrono Trifase con rotore a gabbia di

scoiattolo


MOTORI ASINCRONI A ROTORE AVVOLTO


MOTORI ASINCRONI A GABBIA DI SCOIATTOLO


CAMPO MAGNETICO ROTANTE

- Quando ai tre avvolgimenti dello statore viene applicata una tensione alternata, infatti,nello spazio all’interno si crea un Campo Magnetico Rotante.- In poche parole è come se il campo magnetico “alternato” prodotto dallo statore generasseun magnete virtuale in rotazione


INVERTITORI PWMI convertitori CC/CA a tensione impressa (VSI) presentano due grossi inconvenienti : 1- non consentono di regolare il valore efficace della tensione in uscita, ma solo di variarne la frequenza 2- le grandezze in uscita presentano uno spettro armonico spostato verso le bassefrequenze Per poter variare la velocità del motore in corrente alternata collegato a valle dell’inverter , è necessario poter regolare sia la frequenza che la tensione ;inoltre la presenza di componenti armoniche di corrente di bassa frequenza produce un aumento delle perdite ed una riduzione della coppia motrice offerta dal motore, rispetto al caso di forme d’onda puramente sinusoidali. Questi inconvenienti vengono superati con dei convertitori CC/CA che prendono il nome diinverter PWM ( Pulse Width Modulation )


INVERTITORI PWM MONOFASE

STRATEGIA DI PILOTAGGIO DEI TRANSISTOR

La durata del segnale di pilotaggio a ciascuna coppia di transistor è stabilita dal confronto, effettuato in un comparatore esterno allo schema di potenza dell’inverter, tra un segnale portante triangolare ed un segnale di riferimento a onda quadra


INVERTITORI PWM MONOFASESTRATEGIA DI PILOTAGGIO DEI TRANSISTOR: MODULAZIONE IN LARGHEZZA

Q1 e Q2 ON ar( t ) > ac( t ) durante la semionda positiva di ar( t )

Q3 e Q4 ON |ar( t )| > |ac( t )|, durante la semionda negativa di ar( t )

L’uscita è una tensione avente forma d’onda quasi quadra e, variando l’ampiezza del segnale di riferimento è possibile variare il valore di - , durata angolare della conduzione di ciascuna coppia di transistor Ar = 0 - - = 0 - v0 = 0 Ar = Ac - - = - - v0 ha forma d’onda quadra0 < Ar < Ac - 0 < - < - - v0 ha forma d’onda quasi quadra



STRATEGIA DI PILOTAGGIO DEI TRANSISTOR: MODULAZIONE IN LARGHEZZA La tecnica di modulare in larghezza gli impulsi della tensione v0 si riflette nella possibilità di variare l’ampiezza della componente fondamentale della tensione stessa,.Considerando sviluppo in serie di Fourier di v0 ( onda quasi quadra ):

essendo -’ = ( - - - )/2 si ha :

da cui si deduce che, variando -, variano le ampiezze dellearmoniche ed in particolare quella della fondamentale :

Possiamo notare un contenuto armonico consistente, in quantole armoniche di tensione più significative si trovano alle basse frequenze, dove le ampiezze sono maggiori ; alle basse frequenze inoltre, le impedenze non sono elevate per cui le corrispondenti armoniche di corrente hanno ampiezza significativa, con tutte le conseguenze a livello di coppia motrice e di perdite cheesse comportano.



STRATEGIA DI PILOTAGGIO DEI TRANSISTOR: MODULAZIONE MULTIPLA DELL’IMPULSO

Al variare dell’ampiezza Ar del segnale di riferimento, varia la durata angolare- della conduzione di ciascuna coppia di transistor

Indice di modulazione

Np = numero di impulsi di pilotaggio in un semiperiodo



STRATEGIA DI PILOTAGGIO DEI TRANSISTOR: MODULAZIONE MULTIPLA DELL’IMPULSO

Il vantaggio di questa tecnica di pilotaggio rispetto alla precedente risiede nel fatto che, fermo restando la possibilità di variare l’ampiezza della armonica fondamentale regolando il parametro -, le ampiezze delle armoniche di ordine superiore possono essere notevolmente attenuate aumentando il numero di impulsi Np in un semiperiodo .C’è una notevole attenuazione delle armoniche di bassa frequenza ( quelle più significative ) nel passaggio da un pilotaggio con Np = 3 ad uno con Np = 10 impulsi in un semiperiodo.Il segnale di tensione v0 in uscita all’inverter viene detto a tre livelli , invirtù del fatto che v0 può assumere tre soli valori: V , 0 , -V.



STRATEGIA DI PILOTAGGIO DEI TRANSISTOR: MODULAZIONE MULTIPLA DELL’IMPULSO (segnale portante triangolare bipolare)

ar( t ) > ac( t ) - Q1 e Q2 pilotati

ar( t ) < ac( t ) - Q3 e Q4 pilotati



STRATEGIA DI PILOTAGGIO DEI TRANSISTOR: MODULAZIONE SINUSOIDALE(segnale portante triangolare a valore medio nullo con segnale di riferimento sinusoidale)

ar( t ) > ac( t ) - Q1 e Q2 pilotati ar( t ) < ac( t ) - Q3 e Q4 pilotati


INVERTITORI PWM TRIFASE

fp = frequenza della portante = 3K/ f = R f

Fase a : ara( t ) > ac( t ) - Q1 pilotatoara( t ) < ac( t ) - Q4 pilotato Fase b :arb( t ) > ac( t ) - Q3 pilotatoarb( t ) < ac( t ) - Q6 pilotato Fase c :arc( t ) > ac( t ) - Q5 pilotatoarc( t ) < ac( t ) - Q2 pilotato


INVERTITORI PWM TRIFASE

STRATEGIA DI PILOTAGGIO DEI TRANSISTOR: MODULAZIONE SINUSOIDALE

- ANALOGICA- DIGITALE campionamento naturale

campionamento regolare


MODULAZIONE SINUSOIDALE DIGITALEa campionamento regolare

Il segnale modulante sinusoidale viene campionato con una certa frequenza fc di campionamento, pertanto il calcolo degli angoli di taglio ne risulterebbe notevolmente snellito, in quanto si tratterebbe di risolvere sistemi di equazioni lineari.

Maggiore è la frequenza di campionamento, minori sono gli scostamenti dalla sinusoide di partenza, più fedeli sono le grandezze in uscita a quelle che si avrebbero con segnali modulanti perfettamente sinusoidali.

Un criterio per scegliere il tempo di campionamento Tc può essere quello di acquisire i valori della sinusoide in corrispondenza dei vertici del segnale portante


ANALISI ARMONICALa frequenza della k-esima armonica fk della tensione v0 o della vAO in uscita da un inverter PWM a modulazione sinusoidale è legata alla frequenza fp della portante e a quella della modulante f dalla seguente formula fk = m fp - n f (*)dove m ed n sono numeri interi tali che la loro somma m + n sia un numero dispari.Tenendo conto che fk ed fp sono legate alla frequenza della modulante dalle relazioni :

fk = k f fp = R f la ( * ) può scriversi come :

k f = m R f - n f k = m R - n

E’ immediato osservare che all’aumentare di R = fp / f i pacchetti di armoniche si spostano verso frequenze più elevate, e poichè l’impedenza offerta dal carico aumenta con la frequenza, è chiaro che le corrispondenti armoniche di corrente ne risulteranno notevolmente attenuate. E’ importante allora che R assuma il valore più alto possibile, compatibilmente con le frequenze di commutazione tollerabili dai transistor ; aumentare R = fp / f , significa infatti aumentare la frequenza fp del segnale portante a parità di frequenza f della fondamentale in uscita, e quindi aumentare la frequenza di commutazione dei transistor.


INVERTER PWM A CONTROLLO ADATTATIVO DI CORRENTE

Quando viene chiuso lo switch S1 , la tensione del morsetto A rispetto al punto O diventa pari a V / 2 e la corrente iA conosce una fase di crescita esponenziale.La crescita della corrente viene però arrestata al limite superiore, attraverso un sistema di controllo che, rilevato il valore massimo di corrente, comanda l’apertura di S1 ; poichè l’induttanza tende a mantenere la corrente preesistente all’apertura di S1 , l’unico componente che può consentire ciò è il diodo D4 , che quindi entra in conduzione.Segue allora una fase di decrescita di iA attraverso il diodo D4 , in quanto con l’entrata in conduzione di D4 si ha vAO = - V / 2 .

Anche la fase di decrescita viene tuttavia arrestata al limite inferiore della banda, raggiunto il quale, il sistema di controllo comanda nuovamente la chiusura di S1 , causando una nuova fase di crescita della corrente iA , in quanto con l’entrata in conduzione di S1 è nuovamente vAO = V / 2.Il risultato è che la tensione vAO è un segnale PWM a due livelli, in cui la larghezza degli impulsi è imposta dal controllo sulla corrente.


REGOLATORI DI TENSIONE A PARZIALIZZAZIONE

REGOLATORE DI TENSIONE A PARZIALIZZAZIONE TRIFASE

Mediante un sistema di contattori è possibile effettuare l’inversione del senso di rotazione

Mediante un controllo dell’innesco di T’ è possibile effettuare l’inversione del senso di rotazione


REGOLAZIONE DELLA VELOCITA’


REGOLAZIONE DELLA VELOCITA’ CON LA FREQUENZA

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