CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 36

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1 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 36 Capitolo 2 Descrizione del banco di flussaggio 2.1 Introduzione L utilizzo dei banchi di flussaggio costituisce un mezzo fondamentale per la conoscenza dei fenomeni fluidodinamici presenti nei motori a combustione interna. Nei più comuni banchi di flussaggio il flusso viene generato da un ventilatore, o da una pompa a seconda se si adotta aria o acqua come fluido operante, che sostituisce una delle funzioni del pistone, che comunemente non è presente in questa categoria di banco prova. Esistono, però particolari applicazioni, dove il flusso è generato direttamente dal pistone, che tramite l albero motore, viene trascinato da un motore elettrico o da una qualsiasi forza motrice configurazione motored, o dal normale funzionamento del motore configurazione firing. Un ulteriore classificazione del banco di flussaggio è fatta in base al moto delle valvole di aspirazione, in particolare, se l altezza delle valvole è fissata durante il processo di misura si ha un banco di flussaggio stazionario, mentre se tale altezza varia nel tempo, grazie ad esempio all ausilio dell albero a camme trascinato da un motore elettrico, si parla di banco di flussaggio non stazionario.

2 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 37 Attualmente lo scopo principale dei banchi di flussaggio è quello di massimizzare la portata d aria in aspirazione, valutando l efficienza fluidodinamica del sistema. A tale scopo vengono utilizzati dei coefficienti di efflusso, C d ( di scarico) e C f ( di flusso). 2.2 Componenti principali di un banco di flussaggio In questa sezione sarà descritta la struttura generale di un banco di flussaggio, elencandone i componenti più comuni. Inizialmente si farà riferimento ai banchi di tipo stazionario. La componentistica di base è riportata nello schema che segue. Figura 2.1 Schema di un banco di flussaggio

3 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 38 In riferimento alla figura precedente, i principali componenti sono: 1. Ventilatore (o pompa) per la generazione della depressione all interno del cilindro; 2. Valvola di by-pass per la parzializzazione della portata; 3. Flussometro per la verifica della portata; 4. Manometro differenziale per la valutazione della depressione presente nel cilindro rispetto all ambiente esterno; 5. Scatola di misura; 6. Cilindro; 7. Testa; 8. Sistema di regolazione dell alzo valvole. Va precisato che sia il cilindro che la testa riproducono fedelmente la geometria del motore sotto esame, il cilindro deve comunque essere provvisto di un accesso ottico per la sonda laser se si desidera effettuare misure di velocità all interno di esso. 2.3 Il banco di flussaggio dell Unical Il banco di flussaggio presente nel Laboratorio di Motori a Combustione Interna dell Università della Calabria è stato realizzato inizialmente come stazionario. Successivamente durante il presente lavoro di tesi, sono stati installati componenti aggiuntivi tali da renderlo instazionario.

4 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 39 In questo paragrafo vengono brevemente descritti i componenti preesistenti del banco di flussaggio. Il banco in modalità stazionaria, è costituito dalle seguenti parti: 1. un ventilatore per la generazione del flusso; 2. un sistema di parzializzazione del flusso; 3. un sistema di misurazione di portata; 4. un plenum; 5. un sistema di posizionamento della sonda laser; 6. un generatore di fumo. Il generatore di flusso è costituito da un ventilatore modello PZ80 da 5,5 kw della DYNAIR, posto esternamente alla sala prove per problemi di spazio e di rumorosità (fig. 2.2). Figura 2.2 Generatore di flusso Il collegamento pneumatico tra il ventilatore e l interno della sala prove è stato realizzato mediante un tubo in PVC spiralato della LUISIANA con diametro pari a 120 mm, questo componente presenta inoltre elevate

5 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 40 caratteristiche meccaniche e scabrosità tale da minimizzare le perdite di carico. Il sistema di parzializzazione della portata è indispensabile al fine di assicurare una portata pari a quella delle condizioni di progetto, inoltre permette la massima elasticità funzionale, garantendo la possibilità di eseguire misure in diverse condizioni operative. Il componente principale del sistema è la valvola di by-pass, che permette di regolare la portata passante nel sistema di aspirazione. Figura 2.3 Valvola di By-pass La depressione ottimale viene misurata attraverso un manometro differenziale, che nel nostro caso è costituito da un tubo ad U contenente acqua distillata. Un estremità del tubo è a diretto contatto con l ambiente esterno, mentre l altra con il cilindro in esame, in modo da ottenere immediatamente il salto di pressione tra l esterno e il cilindro. In tal modo l operatore esegue un controllo di feedback, utilizzando il p letto e agendo sulla valvola di by-pass in modo da ottenere il salto di

6 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 41 pressione desiderato. A ridosso del manometro principale ne è stato collocato un secondo con lo scopo di misurare le perdite di carico all ingresso del sistema. Figura 2.4 Manometri differenziali presenti in laboratorio Il sistema di misurazione della portata è costituito da due organi, un sensore primario investito dal flusso, ed un trasduttore secondario che misura il p corrispondente. Il sensore primario è costituito da un Venturi rovesciato o V-CONE, che a differenza di un classico Venturi, convoglia mediante un cono il flusso dal centro alla periferia. La scelta del V-CONE rispetto ad un venturimetro classico riduce il rumore all interno del flusso. La relazione che lega la portata volumetrica al salto di pressione è data da [11]:

7 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 42 Q v P = K Y (2.0) γ dove : K è una costante dipendente dal misuratore; Y è il fattore di espansione dei gas; γ è il peso specifico. Nell utilizzo del venturi rovesciato viene comunemente impiegata la seguente relazione: K 2 2 π D β = 2g C d (2.1) β dove: β è il rapporto di strozzamento, ovvero il rapporto tre il diametro di gola e il diametro del condotto D; C d è il coefficiente di efflusso dello strumento determinato per mezzo di una calibrazione ad acqua. Il trasduttore secondario è costituito da un manometro differenziale digitale della MERIAM Instrument, che fornisce un valore istantaneo del salto di pressione espresso in cm H 2 O. L utilizzazione di questo strumento è necessaria per misurare con buona precisione la caduta di pressione attraverso il flussometro (fig. 2.5).

8 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 43 Figura 2.5 Manometro digitale Il plenum è costituito da un corpo cilindrico all interno del quale sono stati ricavati i quattro cilindri del motore. Figura 2.6 Plenum In figura-2.6 è possibile osservare inoltre l interfacciamento tra il generatore di flusso ed il sistema di aspirazione, dove la tenuta è assicurata da un anello O-RING.

9 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 44 La parte superiore ha la funzione di sostenere la testa in esame, mentre sul lato sono stati praticati dei fori che comunicano direttamente coi cilindri, in modo da poter collegare il manometro differenziale e misurare la depressione nelle camere di combustione. Figura 2.7 Collegamento del manometro differenziale al quarto cilindro Il sistema d allineamento della sonda laser è costituito da un organo statico di tipo fotografico, dotato di un carrello alla base che permette ampi spostamenti. Un ulteriore sistema di regolazione, ancora per ampi spostamenti, è costituito da un braccio mobile dotato di una schiera dentata, che mediante l ausilio di una manopola, permette la traslazione con sensibilità pari al passo tra i denti. Il braccio termina con un organo in grado di far fronte a spostamenti angolari, su cui è calettata una slitta che sostiene la sonda. Tale slitta è in grado di compiere spostamenti bidimensionali di grande precisione,

10 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 45 grazie all utilizzo di viti micrometriche. Infine la sonda è dotata di un sistema di traslazione verticale che ne assicura lo spostamento lungo la terza dimensione e di un sistema di rotazione. Figura 2.8 Sistema di puntamento laser Il generatore di fumo è di tipo commerciale, si tratta del generatore 2010 della Safex (fig. 2.9). La nebbia è generata attraverso l evaporazione forzata del fluido di lavoro, si tratta di un liquido a base d acqua derivante da alcool polifunzionali per uso alimentare, che sono diluiti con acqua e purificati tramite filtraggio ultravioletto a doppia osmosi invertita. Le particelle prodotte presentano un diametro medio dell ordine di 1 µm, e la loro dimensione può essere ritenuta costante, questa caratteristica

11 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 46 risulta fondamentale al fine di ottenere buoni risultati, poiché viene assicurata un uniformità nel processo di scattering. Figura 2.9 Generatore di fumo 2.4 Realizzazione del banco di flussaggio non stazionario La realizzazione di un banco non stazionario, prevede la presenza di organi mobili atti a variare ciclicamente la posizione delle valvole di aspirazione durante il periodo di misura. Risulta evidente che i risultati ottenuti in banchi instazionari rispecchiano fedelmente il fenomeno reale, poiché si tiene conto degli effetti dinamici delle valvole.

12 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 47 Come nei più comuni motori a combustione interna commerciali, il moto delle valvole è stato affidato ad un albero a camme, che non viene trascinato direttamente dall albero motore, ma da un motore elettrico in corrente alternata. Figura 2.10 Albero a camme modificato La testa del motore in esame, di tipo commerciale, è prodotta dalla FIAT ed equipaggia la Grande Punto 1.4 benzina. Le caratteristiche del motore sono riportate nella tabella seguente.

13 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 48 Tabella 2.1 Dati caratteristici del motore a combustione interna L albero a camme commerciale (fig. 2.10) è stato modificato eliminando le camme relative alle valvole di scarico che vengono mantenute chiuse durante tutto il processo di misura. La necessità di ottenere un sistema versatile, capace di assicurare velocità variabili dell albero a camme ha richiesto l installazione di un inverter. Infine, poiché durante il processo di misura è necessario conoscere la posizione dell albero a camme per determinare le fasi del motore, è stato necessario installare un encoder optoelettronico. Riassumendo i principali componenti aggiuntivi per la realizzazione del banco instazionario sono i seguenti: 1. motore asincrono trifase; 2. inverter;

14 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO encoder. Di seguito verranno in breve descritti i vari componenti Motore asincrono trifase Il motore asincrono trifase (MAT) venne per la prima volta realizzato da Galileo Ferraris nel Esso viene alimentato direttamente dalla rete e rappresenta il motore elettrico più semplice, economico, robusto ed affidabile che la tecnica conosca. I vantaggi principali del MAT sono principalmente legati alla sua facilità di avviamento, alla assenza di manutenzione, nonché al suo alto rendimento e alla assenza di lubrificazione. Rappresenta quindi il dispositivo più diffuso nell utilizzazione dell energia elettrica come forza motrice. Il MAT installato nel Laboratorio di Motori a Combustione Interna dell Università della Calabria, presenta una potenza nominale di 4 kw, adatto quindi allo scopo di trascinare l albero a camme che garantisce il moto delle valvole (fig. 2.11). Figura 2.11 Motore asincrono trifase presente in laboratorio

15 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO Principio di funzionamento Il principio di funzionamento di qualsiasi motore elettrico si basa sulle applicazioni delle forze che si esercitano tra elettromagneti e correnti. In particolare, per comprendere i fenomeni che caratterizzano il funzionamento del MAT è utile passare all analogia di una spira immersa in un campo magnetico rotante. È noto infatti che un conduttore in moto in un piano ortogonale alle linee di un campo magnetico risulti percorso da una corrente indotta, che genera a sua volta una forza elettromotrice ai capi del conduttore. Prima di passare all analisi del campo magnetico rotante è utile fare qualche considerazione sul campo magnetico generato da una spira. Si consideri la spira percorsa dalla corrente i(t) rappresentata in figura 2.12, immersa in un mezzo a permeabilità costante come ad esempio l aria. Ad essa risulta associato un insieme di linee di forza sia per il vettore di campo magnetico H, che per il vettore di induzione magnetica B = µh. In particolare il campo magnetico al centro della spira ha una ben determinata intensità funzione della corrente i(t) e del raggio medio della spira R m : H N i () () t t = (2.2) 2 R m dove N è il numero di avvolgimenti della spira.

16 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 51 Figura 2.12 Schematizzazione del campo magnetico di una spira Se la corrente che percorre la spira è di tipo sinusoidale, allora anche il campo magnetico risulterà avere lo stesso andamento [8]: H N I R M () t = sen( ω t) = H sen( ωt) (2.3) 2 M M Consideriamo ora tre avvolgimenti sfasati di 120 tra loro, se vengono percorsi da corrente si indurranno dei campi magnetici in direzione ortogonale alle spire come mostrato in figura 2.13.

17 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 52 Figura 2.13 Campi magnetici ottenuti dalle correnti nelle tre spire sfasate di 120 Se si suppone che le spire siano alimentate dalla terna trifase di correnti : i i i () t = I 2sen( ωt) () t = I 2sen( ωt 2π ) 3 () t = I 2sen( ωt 4π ) 3 (2.4) la (2.4) è una terna diretta che gode della seguente proprietà [8]: 1 () t + i2 () t + i3() t = 0, t. (2.5) i Con riferimento alla figura 2.13 ed alla relazione (2.2), possiamo scrivere:

18 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 53 H H H = λ i = λ i = λ i () t () t () t yˆ xˆ + xˆ yˆ yˆ (2.6) con N λ =. 2 R m La (2.6) descrive i campi prodotti delle tre spire poste a 120. Considerando quindi di alimentare le spire con correnti del tipo (2.4), il campo prodotto dalle tre spire è dato dalla sovrapposizione dei tre contributi: H + = H 1 + H 2 H 3 (2.7) Sviluppando la (2.7) con riferimento alle (2.6) e (2.4) otteniamo l espressione del campo magnetico rotante: H = H [ xˆ cos( ωt) yˆ sin( ωt) ] (2.8) 0 3 in cui H 0 = λi 2. 2 La (2.8) rappresenta quindi l espressione del campo rotante, ottenuto come sovrapposizione del campo delle spire poste a 120 alimentate da correnti sinusoidali opportunamente sfasate. In figura 2.13 è riportata una rappresentazione della (2.8) in quattro istanti di tempo, distanziati da un quarto di periodo T:

19 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 54 Figura 2.14 Campo magnetico rotante Descritto il campo magnetico rotante, torniamo alla descrizione del principio di funzionamento di un MAT che fa appunto riferimento ad una spira immersa in tale campo. Nel caso particolare in cui il campo e la spira e quindi la corrente, sono perpendicolari, si originano forza di tipo elettromagnetico esprimibile come [8]: F = ilb (2.9) con: B induzione magnetica espressa in tesla; L lunghezza dei conduttori, in metri; i la corrente espressa in ampere. Consideriamo quindi una spira posta ortogonalmente alle linee di campo, imperniata al centro e libera di ruotare, come mostrato in figura 2.15.

20 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 55 Figura 2.15 Spira immersa in un campo magnetico rotante La spira sarà quindi sede di induzione elettromagnetica, tranne nel caso in cui essa ruoti con la stessa velocità del campo. Nel caso di spira ferma si avrà che il campo magnetico concatenato con essa risulta essere, essendo il campo di induzione uniforme e rotante con velocità ω 0, variabile nel tempo con legge sinusoidale di pulsazione ω 0. Questa variazione di flusso indurrà una forza elettro-motrice nella spira chiusa, con conseguente circolazione di una corrente, anch essa sinusoidale di pulsazione ω 0, che per la legge di Lenz, avrà verso tale da opporsi alla causa che l ha generata, cioè al moto relativo tra campo magnetico e spira. La corrente indotta tenderà ad annullare l entità di questo moto relativo, cioè, per effetto delle forze elettromagnetiche cui è soggetta la spira, tenderà a far ruotare la spira nello stesso verso del campo rotante: ecco dunque l effetto motore, illustrato in figura 2.15.

21 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 56 Figura 2.16 Generazione della coppia motrice nel motore asincrono Struttura generale Il motore asincrono è costituito principalmente da due parti di forma cilindrica coassiali: una parte esterna, fissa, detta statore, ed una interna mobile detta rotore. In particolare nella figura 2.16, si notano i seguenti dettagli: 1. albero con chiavetta; 2. anello della gabbia;

22 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO sbarra di rame; 4. morsettiera; 5. ventola di raffreddamento; 6. spaccato delle matasse degli avvolgimenti di statore; 7. spaccato del circuito magnetico statorico; 8. pacco del circuito magnetico rotorico; 9. alette di raffreddamento della carcassa esterna. Figura 2.17 Spaccato di un motore asincrono a gabbia Lo statore è formato da un pacco di lamierini di ferro al silicio, tagliati a forma di corona circolare, nella cui periferia interna è ottenuta una serie di cave, nelle quali è sistemato un avvolgimento trifase. Anche il rotore è realizzato da un pacco di lamierini di ferro al silicio a forma di corona circolare, nella cui periferia esterna vi è ancora una serie di cave in cui si trova l avvolgimento secondario o indotto. Essendo il rotore collegato nell interno dello statore, cave statoriche e rotoriche

23 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 58 risultano tra loro affacciate e separate da uno spessore d aria uniforme detto traferro. Lo spessore del traferro è sempre il minimo possibile, compatibilmente con la libera rotazione del rotore, nei motori di dimensioni ridotte è dell ordine dei decimi di millimetro, mentre nei motori di grande taglia è dell ordine del millimetro. L avvolgimento dell indotto può essere realizzato in diversi modi, principalmente si ha il rotore avvolto o ad anelli ed il rotore a gabbia di scoiattolo, che è di gran lunga il più comune, di cui una rappresentazione è riportata in figura. Figura 2.18 Rotore a gabbia di scoiattolo Grandezze di interesse e Curve caratteristiche La grandezza fondamentale di un MAT è lo scorrimento, espresso dalla seguente relazione:

24 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 59 s n n 0 2 = (2.10) n 0 dove : n 0 è la velocità del campo magnetico rotante; n 2 è la velocità in giri al minuto del rotore, mentre n 0 -n 2 rappresenta la velocità relativa tra il campo magnetico rotante ed il rotore. La potenza apparente assorbita dalla linea elettrica da parte del MAT è esprimibile come: A P + jq = 3V I = (2.11) 1 1 dove Q è la potenza reattiva e P la potenza attiva, data dalla relazione: P = 3V I ( ϕ ) (2.12) 1 1 cos 1 dove φ è lo sfasamento tra tensione e corrente nel circuito primario. La potenza utile trasmessa all albero motore, è minore di quella assorbita dalla rete, poiché vi sono delle perdite, quali, perdite nel ferro, per correnti parassite, per isteresi, meccaniche ecc. Quindi la potenza utile può essere espressa in funzione dello scorrimento: P U 1 s = 3R 1 s 2 2 I 2 s = ( s) P T (2.13) dove P T è la potenza trasmessa dal campo magnetico rotante all indotto.

25 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 60 Quindi la potenza utile, a parità di P T, è tanto maggiore quanto minore è lo scorrimento, da ciò la necessità che i MAT funzionino a velocità molto prossime a quelle di sincronismo. Un altra grandezza di interesse è la coppia motrice disponibile all albero motore, che è espressa dal rapporto tra la potenza utile e la velocità di rotazione: P ( 1 s) PT PT = CT ω ( s) ω U C U = = = ω (2.14) quindi la coppia resa all albero assume lo stesso valore della coppia trasmessa. La relazione tra la coppia e lo scorrimento può essere espressa anche facendo riferimento al circuito equivalente, che non è stato trattato poiché una trattazione approfondita dei MAT esula dal presente lavoro di tesi, in tal caso si fornisce la relazione: 3p C = V ω R21 s 2 R21 R1 + s + 2 X T (2.15) che rappresenta l espressione della caratteristica meccanica del motore, che come detto lega la coppia allo scorrimento; in figura 2.19 ne è stata tracciata una rappresentazione.

26 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 61 Figura 2.19 Caratteristica meccanica del MAT Regolazione di velocità Uno dei pochi svantaggi del MAT rispetto ad altri tipi di motori, è la caratteristica di conservare pressoché costante la velocità al variare del carico. In molti casi, come nel presente lavoro, è necessario invece variare la velocità in ampi range, da ciò la necessità di opportune modifiche. La velocità dell albero è esprimibile dalla: 60 f n = 1 p ( s) (2.16) dove p è il numero di coppie polari.

27 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 62 Per cui per variare la velocità di un MAT, occorrerà variare o il numero di coppie polari, o lo scorrimento, o la frequenza della linea di alimentazione. Lo scorrimento può essere variato inserendo ulteriori resistenze in serie a quelle rotoriche, mentre il numero di coppie polari, utilizzando un particolare tipo di configurazione della gabbia di scoiattolo. È evidente che sia la variazione di p che di s, comporti complicazioni funzionali notevoli, poiché è necessario agire direttamente sulla macchina e comunque la regolazione di velocità è di tipo discreto. Una soluzione molto più efficace è quella di variare la frequenza di alimentazione tramite un inverter, che tra l altro permette una regolazione continua della velocità. Quest ultima soluzione, rappresentata nelle figura 2.20, è stata adottata in laboratorio al fine di regolare la velocità, in modo da ottenere misure in differenti condizioni operative. Figura 2.20 Variazione di velocità mediante l'utilizzo di un inverter

28 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO Inverter Nel laboratorio di Motori a Combustione Interna dell Università della Calabria è stato installato (successivamente al motore asincrono trifase) un inverter, che permette il controllo di velocità. Si tratta di un convertitore statico da 30 kw, mostrato in figura 2.20, il cui funzionamento verrà in breve descritto nei prossimi paragrafi. Figura 2.21 Inverter presente in laboratorio Principio di funzionamento Come precedentemente detto, il modo più pratico, flessibile ed efficace, per controllare la velocità di un motore asincrono trifase, consiste nell utilizzare un inverter. Negli inverter viene attuata una doppia

29 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 64 conversione, ovvero, all ingresso la corrente trifase della rete di alimentazione viene convertita in corrente continua, ed all uscita la corrente continua viene riconvertita in alternata a tensione e frequenza variabili. Gli inverter sono quindi costituiti da un ponte raddrizzatore, che effettua la conversione AC/DC, e da un ponte trifase a semiconduttori controllabili per la trasformazione inversa DC/AC. Con l impiego di inverter si può realizzare una variazione continua di velocità a coppia costante, da pochi giri al secondo fino alla velocità nominale del motore, che può essere addirittura superata se la frequenza di uscita all inverter viene aumentata al di sopra dei 50 Hz, frequenza nominale del motore. Gli inverter più comuni nel campo degli azionamenti elettrici di potenza sono i PWM a tensione impressa, di cui uno schema è riportato nella figura seguente. Figura 2.22 Schema tipico del circuito di potenza di un inverter a tensione impressa PWM L alimentazione trifase è convertita in tensione continua mediante un ponte raddrizzatore a diodi, e filtrata attraverso l induttanza L ed il condensatore C. La tensione continua viene poi inviata all inverter vero e

30 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 65 proprio, impiegante come dispositivi di commutazione i transistor. La variazione di frequenza viene attuata pilotando questi transistor, di tipo IBJT o MOSFET, mediante un microprocessore. La sezione frenatura, interviene durante il processo di frenatura del motore, quando quest ultimo si comporta da generatore, e l energia accumulata viene immagazzinata nel condensatore C. Per evitare che il condensatore si sovraccarichi, con conseguente distruzione del circuito, un transistor assolve al compito di scaricare il condensatore sulla resistenza R, che svolge quindi il compito di frenatura dinamica del motore Variazione di velocità La regolazione di velocità, consiste nell alimentare il MAT con una terna sinusoidale di tensioni, variabili in frequenza e ampiezza, in modo tale che il rapporto tensione-frequenza V/f rimanga il più possibile costante e che la corrente assorbita dal motore non superi il valore nominale, per non incorrere in pericolosi surriscaldamenti della macchina. Se V 1n e f 1n sono i valori nominali dell alimentazione del motore, l inverter provvede a fornire al MAT una tensione di caratteristiche variabili nel seguente modo:

31 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 66 Figura 2.23 Caratteristica dell'inverter in cui si individuano tre zone di funzionamento. La prima è chiamata regione a coppia costante che copre le frequenze da zero alla nominale e quindi le velocità dall avviamento alla nominale. In tale zona essendo: V C MAX k 2 f1 (2.17) avremo che la coppia massima esprimibile dal motore rimarrà costante, mentre la velocità varierà proporzionalmente con la frequenza. La corrente assorbita dal motore non si discosterà sensibilmente dalla nominale, considerando che in prima approssimazione la corrente di reazione può essere ritenuta pari a : I V E ' 1Y 1 1 (2.18) 2 2 R1 + X d1 e che la tensione, la f.e.m. statorica e la reattanza di dispersione aumentano in ugual misura. Quindi l andamento della tensione applicata

32 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 67 in funzione della frequenza è teoricamente una retta, se si trascura la resistenza R 1. La seconda zona è chiamata regione a potenza costante. Arrivati alla tensione nominale, in corrispondenza della frequenza nominale, se si desidera aumentare ulteriormente la velocità bisognerà aumentare la frequenza oltre f 1n senza tuttavia aumentare la tensione oltre V 1n al fine di evitare rotture derivanti dal cedimento dell isolamento e eccessive perdite nel ferro. Quindi ad un ulteriore aumento di frequenza, oltre la nominale, si avrà, in base alla legge di proporzionalità inversa, una diminuzione del flusso magnetico e quindi una diminuzione della coppia resa all albero. La potenza erogata dal motore, rimane comunque costante, essendo proporzionale alla velocità angolare, ed alla coppia. La costanza della potenza, unitamente alla costanza della tensione, permette di ritenere costante la corrente assorbita dal motore, pari a quella nominale. La terza regione è chiamata a potenza decrescente o a corrente limitata. Si manifesta a partire da f * >> f 1n (fig. 2.22), per la quale le reattanze di dispersione del circuito equivalente, si elevano talmente, da impedire il passaggio della corrente nominale. In tal caso la corrente rotorica risulta inversamente proporzionale alla frequenza e, poiché anche il flusso per polo varia in modo inversamente proporzionale alla frequenza, accade che la coppia diminuisce con legge inversamente proporzionale al quadrato della frequenza. La potenza, essendo proporzionale sia alla velocità angolare che alla coppia, diminuirà secondo legge inversamente proporzionale alla frequenza. Qualunque sia la regione di funzionamento, accade che la differenza tra la velocità a vuoto n 1 e la velocità che determina la coppia massima n CMAX è costante in quanto non dipende dalla frequenza

33 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 68 n = n n = n s cost. (2.19) 1 CMAX 1 CMAX = e quindi, se la coppia è costante, è lecito ritenere costante lo scostamento in velocità tra la velocità a regime e quella a vuoto, qualsiasi sia la frequenza. Risulta pertanto possibile variare la velocità del motore secondo la seguente caratteristica ( riferita ad un motore avente due coppie polari, tensione nominale 380 V, frequenza 50 Hz) : Figura 2.24 Caratteristica di variazione di velocità che riporta l andamento della coppia in funzione della velocità angolare.

34 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO Encoder La necessità di conoscere la posizione angolare dell albero a camme, quindi le fasi del motore, ha indotto all installazione di un encoder. Questo tipo di trasduttore è ormai largamente diffuso sul mercato, ed è presente in molte varianti, nel nostro caso si tratta di un encoder incrementale della BAUMER, le cui caratteristiche tecniche sono riportate in Appendice A. Figura 2.25 Encoder presente in laboratorio L encoder è stato quindi collegato solidamente con l albero a camme, mediante una supporto in alluminio appositamente realizzato, solidale con la testa del motore. Inoltre è stato inserito un disco graduato, con la duplice funzione di centraggio dell encoder e di analisi della posizione delle valvole, processo che verrà discusso nel prossimo capitolo.

35 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 70 Figura 2.26 Supporto in alluminio dell'encoder, con misuratore angolare Principio di funzionamento L encoder incrementale consiste principalmente in un disco opaco, solidale con l albero di rotazione, il cui spostamento deve essere misurato. Il disco ha un certo numero di fessure o finestre, equidistanti tra loro e disposti su una circonferenza, attraverso le quali può passare un raggio di luce. Sono impiegati, una sorgente, solitamente un diodo LED, ed un rilevatore di luce, ad esempio un fototransistor, capace di captare il fascio fornito dal LED. Tale fascio sarà interrotto dal disco ogni vota che non sarà allineato alle fessure, in questo modo, contando il numero di volte in cui il transistor è stato sensibilizzato, si può ricavare lo spostamento angolare.

36 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 71 Figura 2.27 Principio di funzionamento dell'encoder incrementale Quando l encoder si trova nella posizione di riferimento, il fascio di luce attraversa il foro 0 (fig.2.28), il foto rilevatore viene eccitato, e emette un segnale logico alto, restandovi fino a quando il raggio non viene interrotto, dopodiché il fotorilevatore emette un segnale logico basso. Figura 2.28 Disco forato dell'encoder incrementale

37 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 72 In sostanza l output del fotorilevatore, che permette di conteggiare il numero di fessure che attraversano il fascio luminoso e quindi lo spostamento angolare, è una sequenza di 0 e 1 (fig. 2.29). Figura 2.29 Tipico segnale di output di un encoder Negli encoder standard, uno degli inconvenienti può essere costituito dall impossibilità di determinare il verso del moto, poiché il conteggio delle finestrelle passanti non tiene conto del verso di avanzamento. Tale problema può essere superato introducendo un altro sistema ottico LED- Ricevitore, opportunamente sfasato, come mostrato in figura In tal modo, considerando il verso di avanzamento del segnale, si è in grado di determinarne il verso di rotazione. Figura 2.28 Determinazione del verso di avanzamento

38 CAPITOLO 2 DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO 73 Solitamente il LED è costituito da arseniuro di Gallio, che ne permette il funzionamento per più di ore. I parametri più importanti per questo tipo di encoder sono: la risoluzione, calcolata come fori praticati sul disco; R = 360, dove N é il numero di N il range di funzionamento, compreso tra 0 e 360 ; la sensibilità, che risulta legata alla risoluzione, e rappresenta il minimo spostamento rilevabile dal trasduttore; il tempo di risposta, che dipende sostanzialmente dal fotorilevatore. Di seguito viene riportata una sezione di un encoder incrementale, che ne evidenzia i componenti più importanti. Figura 2.29 Sezione di un encoder incrementale