Gli azionamenti dei motori

• Per azionamento si intende, in generale, un insieme di apparecchiature, gruppi convertitori, attuatori, organi di trasmissione, macchine operatrici, dispositivi di controllo.

azionamento

• la sua funzione è lo svolgimento di un certo numero di operazioni, quali cicli di lavorazione o movimenti di organi meccanici, con prestabilite leggi di moto (posizione e velocità).

I quadranti di un azionamento motore cc

Ve lo c ità

C o p p ia

Q 1w> 0C > 0P> 0

Q 2w> 0C < 0P< 0

Q 3w< 0C < 0P> 0

Q 4w< 0C > 0P< 0

motore

motore

Freno meccanico/generatore elettFreno meccanico/generatore elett.

Freno meccanico/generatore elettFreno meccanico/generatore elett.

Ve lo c ità

Te m p o

Le varie fasi del movimento possono essere riassunte dallo schema seguente

Caratteristica del mat al variare di s

Per gli azionamenti di motori funzionanti in corrente alternata si avranno :

• regolazione mediante reostato di avviamento e numero di poli ;

• regolazione tramite controllo dell’ampiezza della tensione ;

• regolazione tramite controllo della tensione e della frequenza.

Unità N° 1:Generalità sui dispositivi elettronici di potenza

• I moderni sistemi di controllo e comando delle macchine elettriche impiegano diffusamente dispositivi elettronici di potenza, grazie ai quali è possibile, ad esempio automatizzare e ottimizzare la regolazione della velocità

I dispositivi a semiconduttore sono utilizzati come interruttori

OFF I = 0

ON I > 0

I

I

V

Ordine di grandezza dei parametri elettrici

Applicazioni di potenza

Tensioni: kV

Correnti: A - kA

Potenze: kW - MW

Dispositivi elettronici di potenza

• DIODI

• SCR (Raddrizzatori Controllati al Si)*

• SWITCH CONTROLLATI:- BJT

- MOSFET

- IGBT- GTO* (Gate Turn-Off)

* SCR e GTO = TIRISTORI

IGBT

• Transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) sono transistor BJT con in tegrato uno stadio di comando a MOS. Sono pilotabili, quindi, in tensione. Hanno perdite di comando e frequenze operative intermedie tra MOSFET e BJT.

IGBT

G

C

E

CONFRONTO

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5[kA]

1 kHz

10 kHz

100 kHz

1 MHz

0

1

2

3

4

5

[kV]

tiristori

GTO

BJT

MCTIGBT

MOSFET

frequ

enza

Prestazioni limite dei vari componenti

sviluppo previsto

per l’MCT

Confronto tra dispositivi controllati

Proprietà relative degli switch controllati

dispositivo potenza pilotabile velocità di commutazione

BJT/MD

MOSFET

GTO

IGBT

MCT

Media

Bassa

Alta

Media

Media

Media

Alta

Bassa

Media

Media

Gli inverter

• Gli inverter• Negli inverter si riconoscono tre parti fondamentali:• il raddrizzatore detto anche convertitore CA-CC• il filtro • il convertitore CC-CA• Scopo del raddrizzatore è di trasformare la corrente

alternata monofase e trifase in c.c..• Spesso ha anche il compito di recuperare l’energia elettrica

durante la fase di frenatura.

INVERTER

M3 ~

Filtro C o nve rtito red c -a c

Inve rte r

Schema generale di un azionamento con motore elettrico

Rete di alimentazione AC

Convertitore AC/DC INVERTER

M

CONTROLLO

MOTORE

COMANDO

DUE CASI• Rete di alimentazione in corrente continua (es.

linee ferroviarie): solo INVERTERS (fig.2)• Rete di alimentazione in alternata:doppia

conversione per avere a monte del motore l’alternata a frequenza variabile (caso della pagina precedente - fig. 3)

M

DC/AC

Fig. 2

M

DC/ACAC/DC

Fig. 3

INVERTER

Raddrizzatore non controllato a ponte monofase

• Condensatore adeguato lato DC per filtraggio e accumulo energia

Raddrizzatore a ponte monofase

Analisi del raddrizzatore a ponte con induttanza non nulla lato AC

• Ip.: corrente d’uscita Id costanteA

B

Raddrizzamento

FILTRAGGIO

CONVERTITORI AC-DC TRIFASIL1

L2

L3

L

R

E

T1 T3 T5

T2T6T4

Impulsi ai gate

Per capire il funzionamento, si farà il caso semplice di un convertitore a ponte di SCR, con carico resistivo

vs

Vs = Vmax sin t

T1 T2

T3 T4

R

id

vd

FUNZIONAMENTO

Vs > 0: T1 e T4 sono polarizzati direttamente; si possono accendere con l’impulso di gate, mentre T3 e T4 sono polarizzati in inversaVs < 0: è il contrario del caso sopra!vd

t =

Ig1

Ig2

Ig3

Ig4

= angolo di innesco

<Vd> = valor medio della Vd

<Vd> = Vmax (1+cos )/

Variando l’angolo di innesco, la Vd si modifica e varia, di conseguenza, la tensione media sul carico (<Vd>).

• I valori medi dipendono da ;

• La conduzione è discontinua per compreso fra 0 e ;

• Conduzione discontinua = una coppia di SCR si spegne prima che si accende l’altra coppia di SCR.

<Vd> = Vmax (1+cos )/

Dimostrazione del valor medio

).cos1(]cos[

sin1

sin1

max0

max

0 max0 max

VV

dVdVT

Vt

medio

Principio di funzionamento di un INVERTER monofase

Vi R

VuVi

Vi

t

Vu

1

2A

B

t

T

Fig. 1

SIX STEPIl six-step, viene alimentato in corrente continua mediante raddrizzatore interposto tra il dispositivo stesso e la rete.

il six-step è composto da 6 contatti statici chiamati switch,

a seconda dell’ordine di chiusura e della loro frequenza generano onde quadre.

Ogni colonna di switch viene chiamata "gamba di inverter"

A seconda della sequenza di chiusura degli switch le tensioni UA, UB, UC, localizzate rispettivamente nei punti A, B, C, si posizioneranno sul "+" o sul "-" .

Schema a blocchi dell’INVERTER con controllo PWM

Oscillatore

Modulante

Oscillatore

Portante

Modulatore

PWM

Invertitore

Alimentatore

Vout

Vin

Oscillatore modulante: fornisce al modulatore il riferimento di tensione sinusoidale con frequenza pari a quella desiderata in uscita;

Portante: forma d’onda triangolare con fp >> fm;

Modulatore: confronta istante per istante i valori del s.le modulante e di quello portante e invia il comando di commutazione dell’invertitore;

Alimentatore: tensione costante.

PWM

t

t

t

f1 a 5 a 7 a 9 a 11 a3 a

armoniche

f1 a 5 a 7 a 9 a 11 a3 a

armoniche

f1 a 5 a 7 a 9 a 11 a3 a

armoniche

Gli inconvenienti presenti nel six-step vengono superati con gli inverter drive PWM.

PWM

PWM

• Schema a blocchi inverter PWM

CONTROLLO SCALARE DEL M.A.T.CONTROLLO DELLA VELOVITA’ VOLT/HERTZ A CATENA CHIUSA

V/Hz = il rapporto Vs/a, è costante.

Dove: Vs = tensione statorica; a = pulsazione di alimentazione

Cm a

a

Accelerazione

Decelerazione

Regolazione motori

• La regolazione della velocità dei motori elettrici può essere ottenuta o impiegando motori in corrente continua regolando la tensione di armatura o di eccitazione(PWM), oppure impiegando motori in corrente alternata regolando la frequenza di alimentazione

Numero poli

• Esistono dei motori asincroni che , per costruzione, possono funzionare a due diverse velocità. Questi motori hanno lo statore dotato di uno speciale avvolgimento che consente di eseguire il raddoppio del numero dei poli.

• Regolazione tramite controllo dell’ampiezza della tensione. Nel motore asincrono la coppia è legata al quadrato della tensione di alimentazione : per questo motivo la variazione della tensione modifica l’ordinata della caratteristica meccanica, ma non il suo andamento. Le variazioni di tensione non esercitano alcuna influenza sulla velocità a vuoto:  le variazioni invece provocano un aumento dello scorrimento e una diminuzione della velocità quando il motore è sotto carico. Un tale sistema è quindi particolarmente adatto per ottenere delle piccole variazioni di velocità continue entro limiti dell’ordine del 10%.

• Regolazione tramite controllo della tensione e della frequenza. La seguente relazione n = 60f/p

• evidenzia la possibilità di variare la velocità agendo sulla frequenza f della tensione di alimentazione del motore. Per poter realizzare un buon azionamento occorre tener conto che :

• il flusso al traferro deve essere mantenuto costante al suo valore nominale per un ottimo sfruttamento della macchina che deve erogare coppia costante ;

• la corrente assorbita dalla macchina non deve superare il valore nominale per non incorrere a pericolosi surriscaldamenti

• Funzionamento a coppia costante (flusso costante).

• Ricordando che la coppia massima erogata dal motore è data dall’espressione :

• considerando che X2(1)=2L2=s1 L2=2f1sL2

• esprimibile anche come

2

2

122 2

1

4

3

Lf

V

ms

p

• inoltre, nelle condizioni di funzionamento poichè s rimane costante, tale espressione può essere ricondotta al rapporto fra tensione e frequenza, come di seguito riportato :

• TMax=k (U1N/f)2

• dove la costante vale

222 2

1

4

3

Lms

pk

U1

f

U1N

c o p p iac o sta nte

p o te nza c o sta nte

c o p p iac o p p ia

p o te nza

p o te nza d e c re sc e nte

Unità N° 4

Applicazioni

Climatizzatori

• Un INVERTER difficilmente può essere immaginato come parte integrante di un climatizzatore in quanto esso è già collegato alla normale rete di distribuzione dell'energia elettrica pertanto per comprendere bene lo scopo e le funzioni dei climatizzatori inverter è bene fare una piccola precisazione: nei climatizzatori in realtà il sistema "INVERTER" è composto da due componenti: un raddrizzatore di corrente e l'inverter vero e proprio.

• Il raddrizzatore si occupa di trasformare la corrente alternata della rete elettrica in corrente continua che poi viene nuovamente trasformata in corrente alternata dall'inverter.

• Paranco

• E’ un sistema montato su carrello scorrevole su rotaia in grado di sollevare carichi anche in modo continuativo: rotoli di carta, pezzi di utensili,…

M1 M2

• Il motore di spostamento M1 deve avere:

• Avvio progressivo per evitare dondolamenti del carico

• Avvicinamento a bassa velocità al punto di arresto

• Si può realizzare l’azionamento con:• Un m.a.t. associato ad un Controllo Di

Frequenza• Regolazione velocità con rampe di

accelerazione e decelerazione• Gamma di velocità 1:20• 2 sensi di marcia con frenatura• IP55 se all’aperto• Il motore di sollevamento M2

neccessita:• Progressione nel sollevamento per

evitare sovraccarichi• Avvicinamento a bassa velocità

M1 M2

Controllo vettoriale di flusso• In un azionamento scalare non è possibile ottenere coppia

nominale a bassissima velocità, vale a dire a 2 o 3Hz e in generale sono utilizzabili tra 5 e 50Hz.

• • I motori in corrente continua consentono invece di avere

coppie elevate anche a basse velocità, ciò è stato ottenuto, tramite un opportuno orientamento del collettore e spazzole in modo che le componenti di corrente che producono il flusso e la corrente attiva che produce la coppia siano sempre ortogonali.

• Ciò assicura che il controllo del motore in c.c. produca facilmente la coppia desiderata a qualunque velocità.

• La presenza dello stesso collettore e delle spazzole, richiedendo una costante manutenzione, ha reso svantaggioso l’uso dei motori in corrente continua a vantaggio degli asincroni e dei brushless.

•

• Nel brushless è il sensore che rileva la posizione del rotore e consente di avere l’ortogonalità tra il flusso rotorico r e quello statorico s.

• La risposta è stata il controllo vettoriale del flusso.

• Negli azionamenti vettoriali, la scheda di pilotaggio controlla le correnti che producono il flusso e la coppia in modo da ottimizzare il funzionamento e renderlo analogo al motore in corrente continua.

I

N

rs

r r

ss

La corrente totale (Is) è scomponibile in una componente (Id) magnetizzante o reattiva che produce il flusso e una componente (Iq) attiva che produce la coppia.

La componente magnetizzante deve mantenersi costante nelle diverse condizioni di carico ( flusso costante).

Modulazione vettoriale / orientamento di campo

• Nella modulazione vettoriale viene utilizzato un modello matematico del motore. La corrente presente nello statore del motore viene misurata e viene scomposta nei vettori corrente rotore e corrente reattiva, dove

• • la corrente rotore genera la coppia motrice• • la corrente reattiva genera il flusso della

macchina

• E’ possibile ottenere ciò in due modi. Il primo modo è il “Full Closed Vector Control “

• L’altro sistema è ad anello aperto, è più economico e soddisfa tutte quelle richieste di azionamento che non devono essere particolarmente sofisticate.

• la scheda di controllo non ha il sensore “sensorless” e desume i parametri di funzionamento (velocità coppia) indirettamente tramite la corrente assorbita dal motore. Tramite un modello matematico si ricostruisce un sistema virtuale ad anello chiuso

conclusione

• Con l'aiuto di entrambe queste componenti della corrente, è possibile intervenire in modo indipendente sia sulla coppia, sia sul flusso magnetico, ottenendo così una regolazione molto dinamica

Frenatura

• Il termine frenatura designa gli effetti prodotti dall’energia che il motore ritorna alla scheda pilota in alcune condizioni. Una produzione di energia da parte del motore,si ha quando un carico è decelerato rapidamente o fermato, o quando in un controllo di un moto verticale, il carico è abbassato.

frenatura

frenatura

• E’ possibile gestire questa energia in due modi

• Frenatura dinamica – probabilmente il metodo più comune di controllare la rigenerazione. Essenzialmente il metodo consiste nel predisporre un resistore che assorbe l’energia generata e la dissipa sotto forma di calore.

M3 ~

Filtro C o nve rtito red c -a c

Inve rte r

• Frenatura rigenerativa. – Un raddrizzatore controllato, usato in aggiunta a quello preesistente, consente di rigenerare l’energia prodotta recuperandola nella rete principale. La tecnica rigenerativa, dati gli alti costi, è realizzata solo in appicazioni particolari.

• Schema di inverter rigenerativo• L’azionamento funziona in tutti quadranti.

M

frenatura

Frenatura con iniezione di corrente continua: si rimanda a quanto già detto sugli avviatori.