Chopper per motori cc a magneti permanenti

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1 Chopper per motori cc a magneti permanenti In queste note affronteremo lo studio degli azionamenti dei motori in cc a magneti permanenti che utilizzano interruttori a semiconduttori. Tali apparati detti chopper permettono il controllo della velocità e della coppia dei motori cc. Vedremo prima due schemi base: il motore diretto cioè l'azionamento nel quale coppia e rotazione sono concordi (1 quadrante) e la frenatura rigenerativa (2 quadrante) che permette di recuperare in parte l'energia meccanica fornita al carico nella fase precedente, senza dissiparla in calore per frenare il motore con le prestazioni dinamiche desiderate. Passeremo poi ad azionamenti reali e più complessi, nei quali i funzionamenti, da motore e da freno, sono possibili contemporaneamente sullo stesso schema circuitale. Motore diretto (chopper in classe A) In questo caso il motore è alimentato dal chopper di figura: Nell'intervallo di chiusura dello switch S (δt duty interval) all'armatura viene applicata la tensione V dell'alimentatore. Nell'intervallo di apertura di S (1 δ)t la corrente circola nell'armatura e nel diodo D (freewheeling interval). Le forme d'onda ideali in condizioni statiche della tensione e della corrente d'armatura sono indicate nelle figure seguenti nel caso di conduzione continua o discontinua: Nel duty interval una parte dell'energia fornita dall'alimentatore V è convertita in energia meccanica, una parte è persa in calore sulla R a e sullo switch S e l'energia rimanente è immagazzinata nell'induttanza L a. Quest'ultima energia è responsabile del mantenimento della corrente d'armatura anche nella fase di libera circolazione (dato che lo switch S è aperto). Quando l'induttanza d'armatura è bassa e la corrente d'armatura è piccola l'energia immagazzinata può non essere sufficiente per mantenere la corrente nella fase di ricircolo e si verifica appunto la conduzione discontinua. Tuttavia, con i semiconduttori moderni operanti ad elevate frequenze, questa condizione solitamente non si verifica.

2 Frenatura rigenerativa Con il controllo a chopper è possibile ottenere la frenatura rigenerativa (detta anche a recupero) per velocità anche prossime a zero con aumento del rendimento del sistema azionamento motore. Ciò è particolarmente utile nei sistemi alimentati a batteria. Lo schema per la frenatura a recupero è mostrato in figura: Esso usa un chopper in classe B. Le forme d'onda in condizioni statiche della tensione e della corrente d'armatura sono mostrate nelle figure successive: Lo switch S è chiuso per un periodo δt e aperto per la parte restante del periodo T. Durante il primo periodo la V a vale zero e la corrente d'armatura, a causa della forza controelettromotrice E, sale da I a1 a I a2. L'energia meccanica fornita dal carico e l'inerzia del sistema motore carico (solo se la velocità cambia) è convertita in energia elettrica. Essa è parzialmente convertita in energia magnetica nell'induttanza d'armatura e la parte rimanente è dissipata nella resistenza d'armatura R a e nello switch S. All'inizio del secondo intervallo lo switch S viene aperto e l'energia accumulata in L a viene parzialmente dissipata su R a e sul diodo D, ma l'altra parte ritorna all'alimentatore ottenendo così la frenatura a recupero. La frenatura riduce la velocità e così pure la fcem E. E' necessario allora aumentare la durata della prima fase (aumentare δ). Se l'induttanza d'armatura ha un valore sufficientemente alto si possono ottenere frenature a recupero anche con basse velocità ed eliminare il fenomeno negativo della conduzione discontinua.

3 Controllo multiquadrante di motori cc a magneti permanenti con chopper Il controllo multiquadrante di motori cc (azionamento rigenerativo) implica la frenatura rigenerativa. Il controllo a catena chiusa della corrente è parte integrale dell'azionamento. Durante le fasi transitorie ciò permette di non eccedere i valori max di corrente e ottenere la max velocità di risposta. In questo paragrafo non mostreremo per semplicità l'anello di corrente e il filtro tra la sorgente di alimentazione ed il chopper. Controllo a due quadranti consistente in motore diretto e frenatura rigenerativa Le operazioni in due quadranti implicano l'uso di un chopper in grado di dare una tensione positiva e una corrente in due direzioni opposte. Gli schemi possibili sono due: 1. Chopper singolo con un interruttore d'inversione Il chopper usato per motore diretto e quello per frenatura generativa si possono combinare per ottenere quello di figura: S è uno switch statico a semiconduttore (ad es. un BJT o un MOS di potenza) chiuso per un periodo di durata δt e aperto per (1- δ)t, C è un interruttore manuale. Quando C è chiuso e S è in commutazione si ottiene un circuito simile a quello già visto per il motore diretto. In queste condizioni il terminale a è positivo rispetto a b. La frenatura rigenerativa nella direzione diretta si ottiene quando C è aperto e la connessione d'armatura è invertita con l'ausilio di un commutatore RT che permette al terminale b di diventare positivo rispetto ad a. Durante la chiusura dello switch S la corrente del motore scorre attraverso un percorso costituito dall'armatura, lo switch S e il diodo D 1, incrementando l'energia immagazzinata nell'induttanza del circuito d'armatura. Quando S è aperto la corrente scorre attraverso l'armatura, il diodo D 2, l'alimentatore ed il diodo D 1, restituendo perciò energia all'alimentatore. Il passaggio da motore diretto a frenatura rigenerativa avviene secondo i seguenti passaggi: Lo switch S va off e l'interruttore C viene aperto. Ciò forza la corrente d'armatura a fluire attraverso il percorso indicato prima in frenatura. Dopo un tempo adeguato la corrente va a zero e si inverte la polarità del motore con il commutatore RT e si chiude nuovamente lo switch S per un δt opportuno in modo da iniziare la rigenerazione.

4 2. Chopper in classe C In alcune applicazioni è necessaria una transizione più dolce tra funzionamento da motore e da freno di quella appena vista. Per queste applicazioni si utilizza il chopper in classe C di figura: Lo switch S1 e il diodo D1 costituiscono un chopper e S2 e D2 un altro. Ambedue i chopper sono controllati simultaneamente sia come motore che come freno. Gli switch S1 e S2 sono chiusi alternativamente. Bisogna prestare particolare attenzione affinché non ci siano cortocircuiti sull'alimentatore V (solitamente si introduce un breve ritardo tra turn-off e turn-on degli switch). Le forme d'onda del circuito sono indicate nella figura seguente (trascurando i ritardi): i segnali di controllo degli switch sono indicati con I c1 e I c2. Gli switch conducono con I C1 /I C2 positivo. In questo circuito la conduzione discontinua è impossibile. Infatti la corrente può andare a zero sia durante l'intervallo di ricircolo sia nell'intervallo di trasferimento di energia. In questo circuito il ricircolo si verifica quando S1 è aperto e la corrente circola in D1. Ciò accade per t compreso tra δt e T; in questo intervallo S2 è chiuso e se la corrente d'armatura va a zero la fcem E

5 fornisce una corrente inversa che circola in S2 per un intervallo di tempo finito. Allo stesso modo quando S2 è off e D2 in conduzione (per t compreso tra zero e δt) se la corrente va a zero S1 condurrà immediatamente perché V > E. Data l'assenza della conduzione discontinua, la corrente nel motore sarà sempre presente. Durante l'intervallo 0 - δt l'armatura del motore è connessa all'alimentatore attraverso S1 o D2. Perciò Va è uguale a V e I a ha andamento crescente. Nell'intervallo δt T l'armatura del motore sarà cortocircuitata da D1 o S2. La Va varrà zero e I a avrà andamento negativo. Inoltre la corrente dell'alimentatore circolerà solo nel primo intervallo (0 δt) è sarà uguale alla I a. I diagrammi riportati della Ia e I s si riferiscono ad un dato δ con coppia resistente nulla. L'applicazione di un carico farà traslare la I a verso l'alto. Se la I a diventa più elevata dell'ampiezza del ripple solo S1 e D1 condurranno (anche se S2 riceverà il comando di conduzione) e cambierà quindi anche l'andamento della I a e della I s. Nello stesso modo, nella fase di frenatura, condurranno solo S2 e D2. Il valor medio della tensione applicata al motore sarà: quindi il valor medio della corrente I a sarà: V a = δv I a = (δv E)/ R a perciò il chopper funzionerà da motore diretto con δ > E/V e da freno rigenerativo con δ < E/V. Nel caso δ = E/V non si ha nessuna azione sul motore.

6 Controllo a quattro quadranti motore diretto ed inverso, frenatura rigenerativa diretta ed inversa 3. Chopper in classe E Gli switches S1 e S2 con i diodi D1 e D2 formano un chopper che permette di lavorare nei quadranti 1 e 4; Il secondo chopper permette le operazioni nei quadranti 2 e 3. Vedremo un metodo nel quale i due chopper sono controllati simultaneamente. Come prima, i segnali di controllo sono indicati con Ic1, Ic2 ecc... e chiudono il relativo switch quando sono positivi. Analizzeremo prima le forme d'onda per motore diretto e poi per la frenatura rigenerativa diretta. Gli switches S1 e S2 ricevono i comandi con una differenza di fase di T sec. S1 è chiuso nell'intervallo 0-2 δt con δ = ton/2t. S2 invece è chiuso nell'intervallo T - T+2 δt. Gli switch S1 - S4 e S2 S3 sono coppie complementari nel senso che gli switches di una coppia ricevono segnali di controllo alternativi. Al solito, c'è un piccolo intervallo di tempo tra la chiusura e l'apertura degli switches della stessa coppia per evitare la conduzione contemporanea. Questo intervallo non è indicato nelle figure riportate. Nell'intervallo di 2T secondi che è anche il periodo di ogni switch, il chopper opera in quattro intervalli indicati con I, II, III e IV. Le operazioni nel primo quadrante (motore diretto) si ottengono con δ compreso tra 0,5 e 1 (estremi compresi): Nell'intervallo I, S1 e S2 conducono e il motore è sottoposto a una tensione positiva pari a V e la corrente di armatura Ia cresce. Alla fine di questo intervallo S2 viene aperto. Nell'intervallo II S1 e S3 vengono chiusi. Dato che il motore è attraversato da una corrente positiva essa fluisce nella maglia che comprende D1 S1.

7 La tensione d'armatura Va va praticamente a zero e la corrente Ia diminuisce. Nello switch S3 non circola corrente perché è polarizzato inversamente dalla conduzione di D1. All'inizio dell'intervallo III viene aperto S3 e chiuso ancora S2. Ora Va vale V e la corrente torna a salire. Alla fine dell'intervallo III S1 viene aperto. Nell'intervallo IV S2 e S4 sono chiusi. La corrente del motore scorre in S2 e D2 e non in S4 (polarizzato inversamente da D2). Nei grafici seguenti vengono riportati in successione gli intervalli descritti precedentemente. (Is corrente erogata dal generatore V)

8 Motore diretto

9 Per passare alla frenatura rigenerativa diretta bisogna diminuire δ o incrementare E (la forza controelettromotrice del motore) affinché E > Va oppure Ia deve diventare negativa. δ è sempre compreso tra 0,5 e 1 (estremi compresi). Nell'intervallo I, S1 e S3 ricevono i segnali per condurre. La fcem E forza una corrente d'armatura negativa attraverso D3 e lo switch S3. Durante questo intervallo Ia incrementa in modulo, incrementando l'energia immagazzinata nell'induttanza d'armatura. S1 non conduce data la contemporanea conduzione del diodo D3. Lo switch S3 viene aperto all'inizio dell'intervallo II. La corrente d'armatura è forzata attraverso il diodo D3, la sorgente d'alimentazione V e il diodo D4 e l'energia viene restituita all'alimentatore. Sebbene S1 e S2 ricevano i comandi per chiudersi, rimangono aperti data la conduzione di D3 e D4. La tensione d'armatura vale V e la corrente Ia scende.

10 All'inizio dell'intervallo III viene aperto S1 e vengono chiusi S2 e S4. La Ia scorre ora attraverso S4 e D4. Al solito, lo switch S2 non conduce perché D4 è in conduzione. Il modulo della Ia sale ancora. Alla fine dell'intervallo III si apre S4 e si comanda la chiusura di S1. La corrente Ia è forzata ancora in D3 e il diodo D4 e l'energia viene restituita ancora alla sorgente V e, come nell'intervallo II, S1 e S2 non conducono nonostante i segnali di comando attivi. Nella pagina successiva sono riportati in successione tutti gli intervalli relativi alla frenatura diretta. La Is è la corrente che entra nell'alimentatore V (evidentemente in grado di riceverla)

11 Frenatura rigenerativa diretta Motore inverso e frenatura rigenerativa inversa Il motore inverso e la frenatura rigenerativa associata si ottengono con δ compreso tra 0 e 0,5 per cui Va è negativa. In particolare il motore inverso si ottiene scegliendo δ in modo che Va >E (in modulo) e viceversa per la frenatura. Altri metodi di comando Il metodo illustrato non è l'unico possibile. Se ad esempio si mantiene chiuso S2 e si controllano S1 e S4 si ottiene il chopper in classe C già illustrato precedentemente che lavora nel I e II quadrante. Se invece viene mantenuto chiuso S3 e si controllano ancora S1 e S4 si ottiene il funzionamento nei quadranti III e IV. Chopper in classe D E' possibile realizzare anche chopper in questa classe. In questo caso il funzionamento è su due quadranti come nel classe C. Si associano però due funzionamenti incrociati : ad esempio motore diretto e frenatura rigenerativa inversa. Per brevità non viene riportato lo schema in questa trattazione.