Azionamenti Elettrici

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1 Azionameni Elerici 2.4. CONVERTITORI DC/DC Conrollo dei converiori DC/DC FullBridge converer (DC/DC) PWM con commuazione di ensione bipolare PWM con commuazione di ensione unipolare CONVERTITORI DC/AC Conrollo delle forme d'onda con modalià PWM Alimenazione ad onda quadra Inverer monofase Inverer monofase a mezzo pone Inverer monofase a pone inverer rifase Ripple di correne Correne lao DC Conduzione delle valvole Alri schemi per la commuazione Commuazione ad angoli memorizzai Modulazione mediane inseguimeno della correne

2 Azionameni Elerici 2.4. CONVERTITORI DC/DC Servono per converire un'alimenazione con ensione coninua non regolabile in una ensione coninua di ampiezza desideraa. Le configurazioni possibili (sepdown [buck] converer, sepup [boos] converer, ec.) sono ane e permeono denere ensioni di ampiezza regolaa anche maggiore della ensione in ingresso. In queso corso, però, verrà raaa solamene quella denominaa "fullbridge converer" (converiore a pone di ipo H). Le semplificazioni adoae sono: i converiori sono sudiai a regime le valvole sono ideali non ci sono perdie nelle induanze e nei condensaori la sorgene di ensione si suppone ad impedenza inerna nulla (si possono usare baerie o poni raddrizzaori con filro in uscia) un piccolo filro in uscia dal converiore viene raao come facene pare del circuio sesso il carico può essere considerao o una pura resisenza (caso di alimenaori) o un generaore di ensione con, in serie, una resisenza ed una induanza (caso dei moori) CONTROLLO DEI CONVERTITORI DC/DC + R + V o V o on T s off fig 3.1 L'obieivo è di manenere una deerminaa ensione media in uscia indipendenemene dalle fluuazioni nella ensione in ingresso e nel carico. Le valvole preseni nel circuio (comandabili sia in aperura che in chiusura) hanno il compio di presenare al carico la piena ensione solo per un periodo on e ensione nulla per un periodo off. Il valor medio della ensione in uscia dipende da ali valori. Un meodo per conrollare i periodi on e off è quello di considerare un periodo T s (T s = on + off ) cosane e di variare, al suo inerno, il rapporo ra on e off. Tale meodo è deo PWM (PulseWidh Modulaion: modulazione a larghezza di impulso). Viene definio il rapporo di inermienza (o duy cycle) come D = on /T s. Un circuio in grado di realizzare ale meodo è oenuo confronando un'onda a dene di sega (a frequenza 1/T s ) con il valore di riferimeno (la frequenza 1/T s varia da qualche khz a ceninaia di khz a seconda dei componeni uilizzai come valvole). 33

3 Azionameni Elerici V s v conrol segnale di comando On On Off T s On Off Off fig FULLBRIDGE CONVERTER (DC/DC) Viene principalmene uilizzao negli azionameni in correne coninua. + T A+ D A+ T B+ D B+ moore C.C. A + van B T A D A T B D B v BN N fig Permee dperare su ui e quaro i quadrani. Ogni valvola possiede in aniparallelo un diodo (di libera circolazione). Infai, non è deo che quando viene chiusa la valvola, in essa necessariamene circoli correne. Se ques'ulima risula essere negaiva, conduce il diodo in aniparallelo. Il pone è caraerizzao da due rami A e B cosiuii ciascuno da due valvole. In ogni ramo non vi possono essere due valvole che conducono nello sesso isane (si avrebbe un coro circuio ne lao di alimenazione). Tali valvole, olre a uo, non sono mai apere nello sesso isane (se non per un piccolo periodo deo "blanking ime" per permeere lo spegnimeno (non isananeo) delle valvole sesse). In quese condizioni la correne fluisce senza disconinuià. Si può ragionare su un ramo per vola e si noa che V AN = *(faore di uilizzazione di T A+ ) (in modo simile per V BN ). Per il pone vengono uilizzai due meodi differeni PWM: PWM con commuazione di ensione bipolare PWM con commuazione di ensione unipolare 34

4 Azionameni Elerici PWM con commuazione di ensione bipolare In queso caso le valvole in opposizione sono raae come una coppia che si chiude o si apre nello sesso isane. Vi è sempre una coppia chiusa e l'alra apera. Il circuio di comando si basa sul confrono ra un'onda riangolare (v ri ) con il segnale di riferimeno (v conrol ). = v ri 1 1 1/2 T s v conrol T s = 1/fs v BN = v BN V o comandi T B+ T A T B T B+ T A+ T A Io> I o D D D D A B+ D D A B+ D D valvole aive A+ B A+ B Io< T T T T A+ B A B+ T T A B+ I o valvole aive D A D B+ D D T T A+ B A B+ T T D D T T A+ B A B+ A B+ fig Senza "blanking ime", il legame ensione in uscia/segnale di riferimeno è lineare. L'inroduzione del "blanking ime" rende non lineare ale legame ed inroduce l'effeo della correne sul legame sesso (il segno della ensione sul carico dipende dal segno della correne ). Un ale meodo permee di passare con coninuià da un valore massimo di ensione sul carico pari a ad uno pari a. Il fao che la ensione sul carico durane il periodo on è e durane off è, spiega il ermine "bipolare". 35

5 Azionameni Elerici PWM con commuazione di ensione unipolare In queso caso, se le valvole aveni caodi comuni (analogamene quelle ad anodi comuni) sono enrambe chiuse, la ensione sul carico risula essere, in quell'isane, nulla. Il circuio di comando si basa sul confrono ra un'onda riangolare (v ri ) con il segnale di riferimeno (v conrol ) e con il segnale di riferimeno cambiao di segno (v conrol ). v ri v conrol = 1 1 1/2 T s 1 1 v conrol T s = 1/fs v BN = v BN 2 1 V o comandi T T T T T T T A A+ B+ A+ B A B T B T T A+ B Io> I o D T A B valvole aive Io< T D A B T B T A+ D B D A+ D B+ T A+ T B+ D A+ I o valvole aive D B D A+ D A T B T D A B T B D A+ T T A+ B+ T D A+ B+ fig La risposa oenua con il meodo con ensione unipolare è migliore rispeo al bipolare (dal puno di visa del ripple di correne) in quano la frequenza effeiva è il doppio che nell'alro caso. 36

6 Azionameni Elerici 2.5. CONVERTITORI DC/AC Sono generalmene inserii in un sisema caraerizzao da due converiori in cascaa, il primo, lao ree, che funziona come raddrizzaore, e l'alro, lao moore, che funziona da inverer. Il secondo è il vero converiore DC/AC e può funzionare su 4 quadrani in modo che risuli possibile il cambiameno di segno nel flusso di poenza Raddrizzaore a diodi Inverer (monofase ree rifase alimen. i d i o Raddrizzaore 1 Inverer 3 4 Inverer Raddrizzaore fig. 4.1 Esisono due ipi di inverer: a ensione impressa (VSI) in cui la sorgene è una ensione cosane (come in figura), correne impressa (CSI) in cui la sorgene è equivalene ad un generaore di correne cosane; in queso caso l'inverer non è niene alro che uno srumeno in grado di convogliare la correne nei morsepporuni (uilizzao per grosse poenze). Gli inverer a ensione impressa si possono dividere in: inverer con modulazione di larghezza di impulso (PWM) inverer ad onda quadra, in cui la ensione in ingresso è conrollaa dal raddrizzaore. Lo schema di un converiore DC/DC a pone può essere uilizzao per soddisfare efficacemene le caraerisiche di un inverer monofase. 37

7 Azionameni Elerici i d T A+ D A+ T B+ D B+ / 2 A O / 2 B T A D A T B D B v BN N fig. 4.2 E' sao aggiuno il morseo O oenuo collegando due condensaori uguali a mone del converiore (al poso del condensaore classico di filro) CONTROLLO DELLE FORME D'ONDA CON MODALITÀ PWM Il conrollo siene confronando una onda sinusoidale, v conrol (della sessa frequenza della ensione in uscia [modulane] e con ampiezza regolabile), con un'onda riangolare (porane: di frequenza opporunamene elevaa, ma limiaa dalle possibili perdie del converiore; l'ampiezza v ri rimane cosane) v conrol vri 1/fs v AO prima armonica Vd/2 Vd/2 vconrol<vri vconrol>vri TA on, TA+ offta+ on, TA off fig

8 Azionameni Elerici Il rapporo di modulazione di ampiezza (m a ) è definio come rapporo ra il valore massimo della ensione di conrollo ed il valore di cresa dell'onda riangolare. Il rapporo ra la frequenza della porane (riangolare) e la frequenza della modulane (sinusoidale) viene indicao con m f. Se v ri > v conrol conduce T A+ (v AO = /2), alrimeni conduce T A (v AO = /2) Se m a rimane minore di 1, ssserva che: l'ampiezza V AO1 della prima armonica risula essere uguale a m a vole /2 si hanno armoniche raggruppae in bande inorno ai mulipli della frequenza della porane (per m f 9) Il valore di m f deve essere dispari in modo da oenere una ensione in uscia simmerica rispeo all'origine e con una semionda simmerica rispeo all'asse delle ordinae. In queso modo, per la prima simmeria, nella serie di Fourier compaiono solo sinusoidi, menre per la seconda, nello spero, compaiono solo armoniche dispari. Più elevaa è m f più è facile filrare le armoniche rimaneni con un classico filro passabasso. Il limie all'innalzameno del valore di m f viene imposo dalle perdie nel converiore che sono proporzionali alla frequenza (f s ) sessa. Con valori elevai di m f (>21) è possibile eseguire un conrollo PWM in modo asincrono (enere fissa la frequenza della porane e variare la frequenza della modulane). In queso modo, però, vengono inrodoe delle subarmoniche vicino alla frequenza nulla, che risulano, in alcune applicazioni, inacceabili. E' necessario, in quesi casi e nel caso in cui m f sia piccolo (<21) variare la frequenza della modulane insieme alla porane in modo di manenere cosane m f. La limiazione a 1 di m a compora una limiazione sul valore della prima armonica (nel caso dnda quadra il valore massimo della prima armonica vale 4/π di /2). Per valori superiori di m a il valore di V AO1 aumena, ma non ha più proporzionale ad m a sessa. Si ha il funzionameno in sovramodulazione, in cui compaiono, nello spero, uleriori armoniche, anche a frequenze basse. Vao1/(Vd/2) 4/π 1. zona di sovramodulazione x è il valore d per cui vconro inerseca più v 1. x zona lineare m a fig

9 Azionameni Elerici ALIMENTAZIONE AD ONDA QUADRA Con funzionameno ad onda quadra, il valore massimo della prima armonica risula essere pari a 4/π di /2. Tue le alre armoniche (solo dispari, evidenemene) hanno un'ampiezza pari alla prima divisa per l'ordine di armonicià. Un vanaggio di un ale funzionameno è la bassa frequenza di commuazione delle valvole (due sole vole all'inerno del periodo), che lo rende ineressane in applicazioni di elevaa poenza in cui le valvole posseggono empi di on e di off elevai. Lo svanaggio consise nella presenza di armoniche a bassa frequenza e nella mancanza di regolazione dell'ampiezza della prima armonica. E' necessario, quindi, che debba essere il raddrizzaore a mone a conrollare la ensione lao coninua (non deve essere, quindi, un raddrizzaore a diodi bensì a irisori) INVERTER MONOFASE Inverer monofase a mezzo pone i d / 2 T A+ C+ D A+ A O / 2 C T A N D A fig. 4.5 E' lo schema su cui sono sae fae le considerazioni precedeni. La presenza dei due condensaori fa sì che la componene coninua della correne non possa circolare. Infai, essendo cosane, qualunque variazione della ensione su un condensaore deve essere bilanciaa da una variazione opposa sull'alro. Poichè la correne in un condensaore vale i C = C dv C /d, la correne si divide in pari uguali nei due condensaori. Se avesse una componene coninua, la ensione sui condensaori aumenerebbe all'infinio. E' per quesa ragione che non può avere una componene coninua. Le valvole sono solleciae da una ensione massima pari a e da una correne massima pari a,peak. 4

10 Azionameni Elerici Inverer monofase a pone i d T A+ D A+ T B+ D B+ / 2 C+ A O v = v AO BO / 2 C B T A D A T B D B N fig. 4.6 Anche in queso caso esisono due modalià di conrollo PWM (come già viso per il converiore DC/DC a pone): bipolare unipolare. Nel bipolare la ensione in uscia passa da + a. Il conrollo viene eseguio comandando alernaivamene le coppie (T A+,T B ) e (T A,T B+ ). Per m a 1 si ha che il valore massimo della prima armonica è uguale a m a, menre per m a >1 si ha che < V o1 < 4/π. v o filraa i d () i d I d i d2 φ fig. 4.7 Nell'unipolare i due rami A e B vengono comandai separaamene, comparando la riangolare v ri con v conrol e v conrol rispeivamene. 41

11 Azionameni Elerici v 1/fs v v conrol conrol ri vconrol>vri => TA+ on vconrol>vri => v BN = v BN prima armonica fig4.8 Se v conrol > v ri allora T A+ viene acceso e quindi = ; alrimeni viene chiuso T A e, di conseguenza, =. In modo simile per il ramo B (se v conrol >v ri => T B+ on => v BN = ;...). Il risulao è un'onda che in ogni semiperiodo passa dal valore a. Come per il pone DC/DC la frequenza di commuazione dell'onda in uscia ( ) è come se fosse raddoppiaa rispeo al caso di conrollo bipolare. Lo spero, quindi, presena la prima banda di armoniche inorno a 2 m f (m f, in queso caso, deve essere pari). La prima armonica varia in funzione di m a nello sesso modo del bipolare. Le solleciazioni delle valvole sono le medesime del mezzo pone. Il ripple nella correne lao alernaa, supponendo il carico cosiuio da un generaore di forza eleromorice di ipo sinusoidale in serie ad una induanza, è dovuo al fao che il ripple di ensione cade uo sull'induanza. In figura 4.9 viene rappresenao il caso dnda quadra. 42

12 Azionameni Elerici 1 v = v v = L di/d ripple o o1 i ripple fig INVERTER TRIFASE Una possibile soluzione circuiale consise nel collegare al carico rifase re inverer monofasi a mezzopone e piloarli uno indipendenemene dall'alro. Il numero di valvole necessarie risula essere di 12 (6 valvole più 6 diodi in aniparallelo). Lo schema è quello rappresenao i figura in cui re rami (A, B, C) permeono denere re ensioni conrollabili e indipendeni. i d T A+ D T A+ B+ D T D B+ C+ C+ / 2 / 2 C+ O C T A D A T B D T D B C C N A B C fig

13 Azionameni Elerici I rami vengono conrollai indipendenemene l'uno dall'alro secondo una modalià simile al pone monofase unipolare. Il conrollo viene eseguio confronando re ensioni di conrollo di ipo sinusoidale, sfasae di 12 (2π/3) ra loro, con una riangolare. In queso modo la ensione concaenaa (o di linea) assume la forma ipica di un'onda unipolare. Se m f è dispari e muliplo di 3 le erze armoniche sono eliminae dal collegameno rifase. Se m a rimane minore di 1, il valore efficace della ensione concaenaa risula essere pari a: 3 2 m a 2 dove 3 si riferisce la legame ensione di linea (concaenaa)/ensione di fase; 2 al legame valore massimo/valore efficace. Per m a maggiore di 1 il legame non è più lineare, sorgono armoniche a ue le frequenze. Il valore massimo del valore efficace della ensione di linea vale 6/π*, che è il valore fornio dal funzionameno ad onda quadra. Un inverer rifase può funzionare sia da inveriore vero e proprio che da raddrizzaore poendo variare a piacere la fase di V An rispeo a E A. i d A i A L EA + Inverer rifase i B B i C C L L n cenro sell del carico N Funzionameno da inverer I A1 V An1 φ E A jω L I 1 A1 Funzionameno da raddrizzaore I A1 φ E A V An1 jω L I 1 A1 fig Ripple di correne Per quano riguarda il ripple di correne, il ragionameno è idenico al caso di inverer monofase. L'unica differenza è la ensione di fase riferia al cenro sella dei carichi. Tale ensione, per la fase A (ad esempio), vale v An =2/3 1/3 (v BN +v CN ) (si veda figura 4.12) Correne lao DC Menre per il monofase la correne lao coninua possiede una componene a frequenza doppia della fondamenale (i d2 ) (quindi che influenza la ensione sul condensaore in ingresso), nel rifase la correne i d coniene, olre a I d, solo armoniche ad ala frequenza, che non disurbano la ensione sul condensaore. 44

14 Azionameni Elerici Conduzione delle valvole Nel funzionameno ad onda quadra, gli inervalli di conduzione dipendono dallo sfasameno ra ensione e correne v An v An1 1/3 2/3 i A i A1 D T D T A+ A+ A A fig Nel funzionameno in PWM per ogni ramo X se la ensione v XN è nulla e la correne i X è minore di allora conduce la valvola T X, se v XN = e i X < => D X+, se v XN = e i X > => D X, se v XN = e i X > => T X+. Effeo del blanking ime (empo di spegnimeno o empo moro) L'esisenza di un empo off e on delle valvole obbliga il regolaore a comandare gli impulsi di spegnimeno e di accensione, relaivi allo sesso ramo, in isani differeni, inroducendo un riardo (deo blanking ime). La ensione in uscia risula essere, quindi, differene dal case ideale. Considerando una fase, (ad. es. A), la ensione V AN, al momeno dello spegnimeno, si maniene ala per uo se la correne i A < (circola nel diodo D A+ ), menre riarda l'accensione se i A >. La variazione della ensione media risula essere V AN = /T s se i A > e /T s se i A <. Si noa che V AN è proporzionale a, inversamene a T s. Frequenze elevae (f s =1/T s ) inroducono variazioni sensibili. 45

15 Azionameni Elerici v ri T s v conrol segnale comando a TA+ (ideale) segnale comando a TA (ideale) ideale ideale reale reale fig segnale comando a TA+ (reale) segnale comando a TA (reale) ia > (perdia) La correne deve iniziare a ci e non circola in assenza di ia < (guadagno) La correne sa circolando in coninua a circolare in assenza Il blanking ime inroduce un elemeno non lineare nel sisema di regolazione (complicandolo), che dipende dal segno della correne Alri schemi per la commuazione Commuazione ad angoli memorizzai La disponibilià di microconrollori permee di realizzare sisemi in cui i buchi nella ensione sono programmai in modo da eliminare alcune armoniche e, nello sesso empo, da conrollare l'ampiezza della prima armonica. Avendo a disposizione "n" buchi per semiperiodo, si hanno "n" gradi di liberà che possono essere uilizzai allo scopo. 46

16 Azionameni Elerici Vao/(Vd/2) 1 buco 2 buco 3 buco w α1 α2 α3 π α3 π α1 π π α2 α1 α2 α3 α3 α2 α1 Vao1/Vao1max 1 fig In fig viene presenao un esempio con re buchi e l'andameno che gli angoli α 1,α 2,α 3 devono assumere per l'eliminazione della quina e della seima armonica, al variare dell'ampiezza della prima armonica (la erza armonica ed i suoi mulipli non sono preseni in un sisema rifase, menre le armoniche pari non esisono daa la simmeria dell'onda) Modulazione mediane inseguimeno della correne Può capiare che sia necessario avere a disposizione una onda di correne sinusoidale uilizzando un inverer a ensione impressa (VSI). Un meodo consise nel conrollo a banda dlleranza come in figura. riferimeno di correne ia fig Un alro consise nel prendere le decisioni sulle posizioni delle valvole a frequenza fissa (limiaa dalle perdie di commuazione della valvole sesse). 47

17 Azionameni Elerici 33

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