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

Velocità

Freno meccanico/generatore elett

.

Q2 w> 0 C< 0 P< 0 Q1 w> 0 C> 0 P> 0 motore motore Q3 w< 0 C< 0 P> 0 Coppia Q4 w< 0 C> 0 P< 0

Freno meccanico/generatore elett

.

Le varie fasi del movimento possono essere riassunte dallo schema seguente Velocità Tempo

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

I OFF I = 0 V I ON I > 0

Ordine di grandezza dei parametri elettrici

Tensioni: kV Applicazioni di potenza 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

Prestazioni limite dei vari componenti tiristori [kV] 5 4 3 2 IGBT 1 MOSFET 0 0 0.5

1 MCT GTO BJT 1.5

[kA] 2 sviluppo previsto per l’MCT 2.5

3 1 kHz 10 kHz 100 kHz 3.5

1 MHz

Confronto tra dispositivi controllati Proprietà relative degli switch controllati dispositivo BJT/MD MOSFET GTO IGBT MCT potenza pilotabile Media Bassa Alta Media Media velocità di commutazione 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

Filtro

Inverter

Convertitore dc -ac

M 3 ~

Schema generale di un azionamento con motore elettrico Rete di alimentazione AC Convertitore AC/DC INVERTER M MOTORE CONTROLLO 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) AC/DC DC/AC DC/AC M M Fig. 2 Fig. 3

INVERTER

Raddrizzatore non controllato a ponte monofase Raddrizzatore a ponte monofase • Condensatore adeguato lato DC per filtraggio e accumulo energia

Analisi del raddrizzatore a ponte con induttanza non nulla lato AC A • Ip.: corrente d’uscita

I d

costante B

Raddrizzamento

FILTRAGGIO

L1 L2 L3

CONVERTITORI AC-DC TRIFASI

T1 T3 T5 L R E T4 T6

Impulsi ai gate

T2

Per capire il funzionamento, si farà il caso semplice di un convertitore a ponte di SCR, con carico resistivo V s = V max sin  t i d T1 T2 v s R v d T3 T4

FUNZIONAMENTO

Vs > 0

: T1 e T4 sono polarizzati direttamente; si possono accendere con l’impulso di gate, mentre T3 e T4 sono polarizzati in inversa

Vs < 0

: è il contrario del caso sopra!

v d  t = 

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



= angolo di innesco

Ig 1 = valor medio della Vd Ig 2 = V max (1+cos  )/  Ig 3 Ig 4

= V

max

(1+cos



)/

 • 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.

Dimostrazione del valor medio

V medio

 1

T t

0 

V

max sin 

d

   1 0  

V

max sin 

d

  

V

max  [  cos  ] 0  

V

max  ( 1  cos  ).

B Principio di funzionamento di un INVERTER monofase Vi Vi R 1 t A Vi

Vu

2

Vu

Fig. 1 t T

SIX STEP

Il 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 Portante Alimentatore Oscillatore Modulante Modulatore PWM Vin Invertitore Vout

Oscillatore modulante

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

Portante

: forma d’onda triangolare con f p >> f m ;

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 1 a 3 a 5 a 7 a 9 a 11 a armoniche f Gli inconvenienti presenti nel six step vengono superati con gli inverter drive PWM. t 1 a 3 a 5 a 7 a 9 a 11 a armoniche f t 1 a 3 a 5 a 7 a 9 a 11 a armoniche f

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 Accelerazione  Decelerazione  a

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 X 2 (1)=  2 L 2 =s  1 • esprimibile anche come L 2 =2  f 1 sL 2

4



s

3

p

  2 

m

2  

V

1

f

  2

1 2

L

2

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

Max

=k (U 1 N/f) 2 • dove la costante vale

k

 4 

s

3

p

  2 

m

2 1 2

L

2

potenza U 1N U 1 c oppia c ostante potenza c ostante potenza dec resc ente f

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,… M2 M1

• 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 M2 M1

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 statorico  s.

flusso rotorico  r e quello

 r  s  r N  s  r  s I •

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.

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.

Filtro Inverter Convertitore dc -ac M 3 ~

• 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.