Progetti di AZIONAMENTI ELETTRICI PER APPLICAZIONI INDUSTRIALI ED EOLICHE M- modulo 2 Ing. L. Zarri

Transcript

1 Progetti di AZIONAMENTI ELETTRICI PER APPLICAZIONI INDUSTRIALI ED EOLICHE M- odulo Ing. L. Zarri Per il superaento dell'esae è prevista la realizzazione di un progetto in abiente Siulink Il progetto può essere realizzato in gruppi al assio di 3-4 persone. I progetti possibili sono quelli da 1 a 11. Tuttavia, se qualhe studente volesse proporre un tea speifio, si può prendere in onsiderazione. Si preisa subito he un progetto NON ha una soluzione predeterinata, a ha lo sopo di ostringere il gruppo di studenti a disutere le probleatihe presentate, a studiare i transitori e a oprendere il funzionaento dell'azionaento, erando la igliore soluzione possibile. Pertanto gli studenti sono invitati a NON hiederi la soluzione del problea, a a disutere tra loro quella he sebra il iglior oproesso (eventualente, inforandosi sulle soluzioni realente adottate). Cosa srivere nelle relazioni Per il progetto è prevista una relazione sritta. La relazione di un progetto deve fornire una desrizione aurata dei odelli di Siulink he sono stati ipleentati. Le figure dei odelli devono essere inluse nella relazione e devono ostrare non solo gli shei prinipali, a anhe i sottosistei più rilevanti (ad esepio i sottosistei dei otori, del ario eanio, del hopper/inverter e del ontrollo). Il funzionaento del odello deve essere diostrato ostrando e oentando le fore d'onda più rilevanti (orrenti, tensioni, veloità, posizione, flussi, oppia, riferienti). I riferienti non devono essere neessariaente dei gradini. Ad esepio è possibile utilizzare oe riferiento di veloità un'onda quadra. In questo odo è possibile giudiare anhe il 1

2 oportaento del odello sia in aelerazione, sia in deelerazione, oppure durante inversioni di veloità. L'inizializzazione del odello dovrebbe essere fatto ediante un file., il ui listato deve essere inluso in appendie alla relazione. Le forule e le figure devono essere nuerate e rihiaate usando la nuerazione adottata. Sono quindi da evitare espressioni del tipo "la forula della pagina pria" oppure "la figura qui sotto". L'uso della lingua italiana dovrebbe essere suffiienteente urato. Sul frontespizio della relazione deve essere preisato il noe degli autori e il loro nuero di atriola. Le dispense delle eseritazioni possono essere assunte oe riferiento. Eleno dei progetti Lo studente è libero di integrare i dati ananti nelle desrizioni dei progetti. 1) Progetto sul otore in.. - ontrollo di posizione on trasduttore di posizione non ideale (1 punto) Si onsideri un azionaento on ahina in orrente ontinua per il ontrollo di posizione. La posizione del otore è isurata on un enoder, he fornise un segnale quantizzato tra 0 e π. Per la siulazione di grandezze quantizzate, Siulink dispone di un apposito bloo: Quantizer La veloità isurata può essere riavata derivando in odo approssiato il segnale di posizione, on una funzione di trasferiento del tipo: ω s = θ 1+ Ts

3 dove T è un ultiplo del periodo di apionaento (al inio, T=T ). Oorre fare attenzione ad utilizzare i segnali di posizione isurata e di veloità stiata in tutti i blohi he si riferisono al sistea di ontrollo e i segnali veri di posizione e veloità in tutti i blohi he si riferisono al odello del otore. a) inserire un anello di regolazione di posizione e ostrare il suo orretto funzionaento sia per gradini di ingresso pioli (ad esepio θ ref =1 x 360 ) sia grandi (ad esepio θ ref =360 x 100), b) analizzare i diagrai di Bode del sistea e tarare i regolatori, onfrontando il aso attuale on quello di isura ideale di veloità, per diversi valori di T, ) proporre dei etodi per ridurre l'errore di posizione e le osillazioni di oppia, e verifiarne l'effiaia. NB. L'enoder fornise un segnale opreso tra 0 e π, entre il riferiento di posizione può essere un nuero anhe olto aggiore di π (l'albero otore deve opiere olti giri). Oorre pertanto trovare un etodo he peretta al sistea di ontrollo di rappresentare rotazioni dell'albero otore non liitate all'intervallo [0,π]. ) Progetto sul otore in.. - ontrollo in deflussaggio (1 punto) a) odifiare i PI on antiwindup per tener onto della opensazione della fe. b) odifiare lo shea di ontrollo per perettere il deflussaggio del otore. A tal fine si supponga per sepliità he la ostante di oppia sia espriibile oe K = K ϕ e e he K sia pari a 1. Il flusso deve essere generato da un iruito di eitazione separato la ui equazione è: v = R e e + L e die La orrente noinale di eitazione sia 5 A. Per sepliità si ritenga anhe he ϕ e = L e i e e he τ e =L e /R e =5 τ a. Il sistea di ontrollo deve prevedere, oltre ai norali anelli di regolazione, anhe quello della orrente di eitazione. Il riferiento della orrente di eitazione deve essere generato in funzione della veloità del otore: è pari a 5 A sino alla veloità noinale ed è deresente on legge approssiativaente iperbolia per veloità superiori. In genere il flusso è deterinato in funzione della veloità sulla base di tabelle prealolate oppure è alolato on-line. 3

4 3) Progetto del otore brushless - ontrollo a isteresi (1 punto) a) Si sostituisa il regolatore PI dell'anello di orrente visto nell'eseritazione in laboratorio, on una regolazione di orrente basata su regolatori a isteresi. La sei-banda di isteresi deve essere di 0. A. b) Proporre un etodo per onteggiare tutti i abiaenti di stato dell'inverter in odo da poter alolare la frequenza di outazione dell'inverter. diagraare la frequenza di outazione dell'inverter in funzione della veloità di regie del otore. ) Inserire un anello di regolazione della posizione, segliere il regolatore di posizione più opportuno e verifiarne il oportaento nell'ipotesi he il segnale di posizione isurato possa essere disturbato da un segnale aleatorio (aggiungere un ruore biano al segnale di posizione angolare, on apiezza assia pari a gradi, 5 gradi e 10 gradi) d) Proporre etodi per ridurre l'effetto del ruore, e verifiare la loro effiaia. 4) Progetto del otore brushless - ontrollo di posizione on trasduttore di posizione non ideale ( punti) a) Aggiungere all'azionaento brushless svolto a lezione un anello di regolazione di posizione e ostrare il suo orretto funzionaento sia per gradini di ingresso pioli (ad esepio θ ref =1 x 360 ) sia grandi (ad esepio θ ref =360 x 100). A tal fine, si supponga di disporre di un trasduttore di posizione ideale. La veloità isurata può essere riavata derivando in odo approssiato il segnale di posizione, on una funzione di trasferiento del tipo: ω s = θ 1+ Ts dove T è un ultiplo del periodo di apionaento (al inio, T=T ). Oorre fare attenzione ad utilizzare il segnali isurati di posizione e veloità in tutti i blohi del sistea di ontrollo, e i segnali di veloità e di posizione reali in tutti i blohi he si riferisono al odello del otore. b) Analizzare i diagrai di Bode del sistea e tarare i regolatori, onfrontando il aso attuale on quello di isura ideale di veloità, per diversi valori di T. 4

5 ) Sostituire ai regolatori PI di orrente usati nel odello a lezione, dei regolatori on antiwindup (iò non è banale, in quanto il vinolo di tensione è del tipo v d +v q <V ax ). d) Si supponga ora he il trasduttore di posizione fornisa un segnale quantizzato opreso tra 0 e π. Ciò siula in pratia l'utilizzo di un enoder. Si studi il oportaento del sistea quando il passo di quantizzazione è π/(104), π/56 e π/64. Per la siulazione di grandezze quantizzate, Siulink dispone di un apposito bloo. Quantizer e) Proporre etodi per liitare l'effetto della quantizzazione sull'errore di posizione, di veloità e sull'andaento della oppia prodotta, e verifiare la loro effiaia. NB. L'enoder fornise un segnale opreso tra 0 e π, entre il riferiento di posizione può essere un nuero anhe olto aggiore di π (l'albero otore deve opiere olti giri). Oorre pertanto trovare un etodo he peretta al sistea di ontrollo di rappresentare rotazioni dell'albero otore non liitate all'intervallo [0,π]. 5) Progetto sul otore in.. - ontrollo on ario elastio (3 punti) a) riprogettare l'azionaento in.. introduendo la opensazione della fe nel loop di orrente b) odifiare l'antiwindup del orrispondente PI per tenere onto della opensazione della fe. ) inserire un anello di regolazione di posizione e ostrare il suo orretto funzionaento sia per gradini di ingresso pioli (ad esepio θ ref =1 x 360 ) sia grandi (ad esepio θ ref =360 x 100). A tal fine, si supponga di disporre di un trasduttore di veloità ideale olloato sull'albero del otore. La posizione può essere riavata dal sistea di ontrollo integrando la veloità isurata. d) Si supponga ora he l'albero he ollega il otore al ario sia olto lungo e he non possa essere onsiderato rigido. Le equazioni del sistea eanio diventano le seguenti: C C C a a C C a = K bω = J dω = J ( θ θ ) = J dω d = J θ d θ 5

6 dove K è la ostante elastia dell'albero, he può essere assunta ad esepio pari a 0 N/rad, C a è la oppia trasessa dall'albero elastio, ω è la veloità del ario e ω è la veloità del otore. La oppia resistente è proporzionale alla veloità e antiene l'espressione per aso di aoppiaento rigido. e) Si onfronti il oportaento dell'azionaento on aoppiaento elastio a quello preedente on albero rigido. In partiolare si visualizzi l'andaento della veloità e della posizione sia del otore sia del ario. f) Supponendo la oppia resistente nulla, deterinare le funzioni di trasferiento tra la veloità e la orrente del otore e tra la veloità del ario e la veloità del otore, e rappresentare i loro diagrai di Bode. g) Anhe sfruttando i risultati ottenuti nel punto f), ri-progettare l'anello di ontrollo di orrente, di veloità e di posizione del otore in odo he i transitori sul lato ario non presentino osillazioni rilevanti. 6) Progetto del otore asinrono - ontrollo di tipo indiretto ( punti) Si realizzi un odello di azionaento (otore+ontrollo di oppia e di veloità) di otore asinrono on ontrollo vettoriale di tipo indiretto. I paraetri del otore sono i seguenti: Potenza noinale: P n = 4 kw Tensione noinale: V n = 400 V rs (onat.) Veloità noinale: n = 1440 rp Coppie di poli: p = Corrente noinale: I n = 9.40 A rs Moento di inerzia: J = kg Moento di inerzia del ario: J = 3 J Rs =.78 Ω Rr = Ω L s = L r = H M = 118 H 7) Progetto on otore asinrono ontrollo salare (3 punti) 6

7 Si realizzi un odello di azionaento (ontrollo di sorriento e di veloità) di otore asinrono on ontrollo salare in atena hiusa. Si usino i paraetri del progetto 6. 8) Progetto on otore brushless a fe trapezia ( punti) Si realizzi un odello di azionaento (otore+ontrollo di oppia e di veloità) on otore brushless a fe trapezia. Per quanto riguarda i paraetri si assuano gli stessi paraetri del otore brushless a fe sinusoidale utilizzato a lezione. Eo aluni suggerienti per la realizzazione del odello: a) il odello prevede le equazioni della orrente i a, i b, entre i è trovata oe -i a -i b. b) la forza elettrootrie di iasuna fase è alolabile oe prodotto della pulsazione per il flusso di eitazione della fase, he dipende dalla posizione (per espriere questa legge, si può utilizzare il bloo look-up table di Siulink). ) non onviene alolare la oppia oe rapporto tra potenza eania prodotta e veloità, a è opportuno trovarne l'espressione espliita oe soa di prodotti tra flussi e orrenti (in questo odo si evita la divisione per zero all'inizio della siulazione, quando la veloità è nulla). d) il ontrollo, sulla base dei segnali he giungono dai sensori ad effetto Hall, alola i riferienti delle orrenti. I regolatori delle orrenti sono a isteresi. 9) Controllo di posizione di un azionaento on vite senza fine (3 punti) Partendo dallo shea di ontrollo per ahina in orrente ontinua visto durante le eseritazioni di laboratorio, si realizzi il odello di un azionaento di posizione on riduttore basato su vite senza fine e hioiola. Si utilizzi le stesse grandezze dell'eserizio nuerio orrispondente (ilo di lavoro, attriti, oppie resistenti, inerzie), si selga un otore idoneo e si verifihi il suo funzionaento orretto. Il odello deve oprendere: 1) il sistea di ontrollo di posizione, in grado di seguire il ilo di lavoro (non iporta he l'inseguiento sia perfetto). ) il otore 3) la vite senza fine (di assa non nulla) 5) la hioiola (di assa non nulla) 6) le forze resistenti sul ario e di attrito 7

8 7) il odello terio del otore, desritto oe un sistea del I ordine, on ostante di tepo τ th e resistenza teria R th. Per sepliità, il odello terio produe in usita la sovrateperatura della ahina, pensata a teperatura unifore, entre oe ingresso ha le perdite per effetto Joule della ahina. I paraetri del odello terio possono essere trovati su ataloghi. Se la resistenza teria non è nota, la si selga in odo he a regie la sovrateperatura sia pari a quella assia aissibile in ondizioni noinali. Attenzione: - la resistenza di aratura dipende dalla teperatura - la forza d'attrito sulla hioiola si oppone al oto - il rendiento di trasissione dipende dal oto (diretto o retrogrado) 10) Realizzare i progetti preedenti on l'uso del software PLECS (stesso punteggio dei progetti preedenti). - Sostituire al odello del otore il orrispondente oponente già previsto in PLECS. - Sostituire al onvertitore un odello più preiso, on interruttori presenti nella libreria di PLECS - Realizzare il bus d ediante un ponte raddrizzatore (ontrollato o non ontrollato) da alientazione trifase - Inserire un rao di frenatura sul bus DC e siulare frenate rigenerative o dissipative sul rao di frenatura. La lienza di PLECS on validità di 1 anno può essere hiesta al doente. 8