Azionamenti Elettrici Parte 2 Tipologie dei motori e relativi azionamenti: Motori asincroni Motori e Riluttanza Variabile

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1 Azionamenti Elettrici Parte 2 Tipologie dei motori e relativi azionamenti: Motori asincroni Motori e Riluttanza Variabile Prof. Alberto Tonielli DEIS - Università di Bologna Tel mail: atonielli@deis deis.unibo.itit

2 Parte 1 Indice generale del corso Introduzione, richiami di Controlli Automatici ed Elettrotecnica Generazione elettromagnetica di coppia Parte 2 Tipologie dei motori elettrici e dei relativi azionamenti Motori ed azionamenti C.C. Motori ed azionamenti Brushless (sincroni a magneti permanenti) Motori ed azionamenti Asincroni ad Induzione Motori Passo-passo e coppia Parte 3 Introduzione al controllo assi Parte 4 Scelta dell'azionamento Dimensionamento del motore e dell'amplificatore Esempi di dimensionamento Azionamenti Elettrici 3-2

3 Cenni sugli amplificatori di potenza Motori a collettore (C.C.) principio di funzionamento controllo di coppia Motori Brushless a campo trapezoidale principio di funzionamento controllo di coppia Motori Brushless a campo sinusoidale principio di funzionamento controllo vettoriale di coppia Motori asincroni ad induzione Indice della Seconda Parte principio di funzionamento controllo di velocità in catena aperta e vettoriale di coppia Motori a riluttanza variabile passo-passo e motori coppia Azionamenti Elettrici 3-3

4 Indice del Modulo Introduzione Modello statico equivalente trasformatorico curve caratteristiche Controllo basato sul modello statico controllo V/F costante controllo a scorrimento Modello dinamico equazioni delle correnti e del flusso equazione della coppia Controllo vettoriale schemi a blocchi del controllo stima del flusso Motori a Riluttanza Variabile Azionamenti Elettrici 3-4

5 Introduzione statore analogo a quello del motore sincrono tipica realizzazione trifase assi magnetici delle tre fasi siccome si associano le correnti ai flussi, si assume per le correnti un vettore rappresentativo allineato con l asse magnetico della relativa fase Azionamenti Elettrici 3-5

6 Introduzione rotore con avvolgimenti cortocircuitati gabbia di scoiattolo Il flusso sul rotore va indotto dallo statore motore asincrono sistema non lineare difficile da controllare 3 circuiti di rotore 3 circuiti di statore Azionamenti Elettrici 3-6

7 Caratteristiche generali Introduzione Il motore produce coppia solo se la velocità meccanica (ω r ) è diversa da quella del campo rotante (ω( s ) motore asincrono Se il rotore taglia le linee di flusso del campo rotante (ω r ω s ) si induce sul rotore una tensione che fa circolare una corrente sugli avvolgimenti cortocircuitati sul rotore si genera un flusso rotante alla stessa velocità del campo (ma con fase variabile) che, interagendo con esso, genera coppia il campo rotante genera sia il flusso che la coppia la velocità nominale del motore è minore di quella di sincronismo occorre scorrimento per generare coppia Azionamenti Elettrici 3-7

8 Equivalente trasformatorico Modello statico Il motore asincrono si comporta come un trasformatore con accoppiamento tra primario e secondario variabile con lo scorrimento Scorrimento R s X ds X drs s = R rs ω ω e ω e m X m più piccola di quella del trasformatore per la presenza del traferro. I m anche 40-50% I nom nei piccoli motori V s I s I m X m I rs V r R rs 1 s s Simula come una dissipazione la potenza meccanica trasferita Azionamenti Elettrici 3-8

9 Curve caratteristiche Modello statico Caratteristica meccanica a tensione e frequenza costanti C C max C nom C avv Rendimento rotorico Generatore η r = 1-s 0 Motore 1 s Coppia a basso s C m = k * s Azionamenti Elettrici 3-9

10 Curve caratteristiche Modello statico Caratteristica meccanica a tensione e frequenza costanti C C max C avv C nom 0 1 s Motore motore standard per avviamenti a carico Azionamenti Elettrici 3-10

11 Curve caratteristiche Modello statico Caratteristica meccanica a tensione e frequenza costanti C max C nom C 0 C avv 1 s motore speciale per funzionamento a frequenza variablie Motore servirebbe anche una struttura magnetica speciale Azionamenti Elettrici 3-11

12 Curve caratteristiche Modello statico Caratteristica meccanica ideale a tensione e frequenza variabili (V/f = costante) C V ed f crescono si sono trascurate le cadute sulle resistenze statoriche 0 ω Azionamenti Elettrici 3-12

13 Curve caratteristiche Modello statico Caratteristica meccanica reale a tensione e frequenza variabili (V/f = costante) C V ed f crescono si sono considerate le cadute sulle resistenze statoriche 0 ω Azionamenti Elettrici 3-13

14 Numero di poli Modello statico si possono realizzare motori con numero di poli diverso tipici 2, 4, 6 poli speciali 8, 12, 16, 24 per avviamenti con coppie elevate (es( es.. ascensori) doppia polarità 2/12, 4/16 effetto del numero di poli a parità di potenza al crescere del numero di poli si ha una minore velocità nominale e, quindi, una maggiore coppia nominale (P=Cω) le dimensioni, il peso ed il costo sono funzione della coppia erogata. Crescono quindi al crescere del numero di poli Azionamenti Elettrici 3-14

15 Pregi e difetti Pro Contro Pilotaggio sullo statore Funzionamento in ambiente ostile anche con presenza di polveri ferromagnetiche Basso costo Nessun problema alle alte temperature Elevata capacita' di sovraccarico Coppie dinamiche anche 5-6 volte quella nominale Prestazioni elevate in esecuzioni speciali e con azionamenti idonei. Possibilita' di funzionamento a velocita' superiori a quella nominale con coppia ridotta (deflussaggio( deflussaggio) calore generato anche sul rotore (ventilaz( ventilaz.) la potenza fornita genera coppia e campo inerzia relativamente elevata per la presenza di ferro sul rotore controllo difficile Azionamenti Elettrici 3-15

16 Azionamenti per motore asincrono Controlli basati sulle caratteristiche statiche Controllo di velocità del tipo V/f = K costante ω m Kf f PWM sinus. V Inverter + Motor se ω in r.p.m. Kf = p/120 Kv = Vmax/fmax Kv V problemi alle basse velocità per le cadute resistive numero di poli Azionamenti Elettrici 3-16

17 Azionamenti per motore asincrono Controlli basati sulle caratteristiche statiche Controllo di velocità del tipo V/f = K costante V Vnom Vo off-set nonlineare modifiche per compensare le cadute resistive a bassa velocità lineare fnom f Azionamenti Elettrici 3-17

18 Azionamenti per motore asincrono Controlli basati sulle caratteristiche statiche Controllo di velocità del tipo V/f = K costante compensato ω m Kf f PWM sinus. V Inverter + Motor V Kf = p/120 Azionamenti Elettrici 3-18

19 Azionamenti per motore asincrono V Vnom se Vo deflussaggio R s X ds X drs R rs fnom f Se f > f nom e V s = V snom V s I s I m X m I rs V r R rs 1 s s I m cala Attenzione alla potenza deflussaggio Azionamenti Elettrici 3-19

20 Azionamenti per motore asincrono Controllo del tipo V/f costante In terminologia tecnica questo tipo di azionamento è chiamato INVERTER controllo di velocita' in catena aperta velocita' dipendente dal carico si può aggiungere un controllo di velocità la velocità può essere superiore alla velocità nominale potenza costante prestazioni dinamiche modeste problemi alle basse velocità ed in presenza di coppie di carico variabili costo minimo per Kw Azionamenti Elettrici 3-20

21 Azionamenti per motore asincrono Controlli basati sulle caratteristiche statiche Controllo di velocità a scorrimento ωsp PID ω ω + + Kf f PWM sinus. V Inverter + Motor ω ωm V slip control schema base V/f Azionamenti Elettrici 3-21

22 Azionamenti per motore asincrono Controllo di scorrimento controllo di velocita' in retroazione velocita' non dipendente dal carico prestazioni dinamiche migliorate ma non eccezionali piu' costoso per la presenza del sensore Controllo diretto di coppia controllo senza sensore di velocità (sensorless( sensorless) velocità e coppia di carico stimate con modello prestazioni dinamiche buone problemi alle bassissime velocità ed in frenata più costoso per la necessità di un buon processore Azionamenti Elettrici 3-22

23 Motore Asincrono ad Induzione - modello dinamico Schema a blocchi equivalente v d R eq +σ s i d L sr 1+τ r s ϕ v q i q i d 1 R eq +σ s f.e.m. σ i q k r k r ω 0 ϕ ω + X X ϕ T m A B T r k r τ -1 r B A 1 J τ r L sr ω i q Azionamenti Elettrici 3-23

24 Azionamenti basati sul modello dinamico Controllo ad Orientamento di Campo Csp 1 km Iqsp PID COR Vq ρ V Inverter PWM + Motore ω ϕspsp PID FLUX Idsp PID COR Id Iq Vd T inv T dir ϑ stim. STIMAT. FLUSSO ϕ stim I Controllo vettoriale di flusso Azionamenti Elettrici 3-24

25 metodi diretti Stima del flusso sensori di flusso (effetto Hall) nel traferro motori speciali rumore dovuto agli effetti delle cave statoriche avvolgimenti nelle cave flusso ottenuto per integrazione del segnale errori a bassa frequenza dovuti alle derive degli integratori sono richiesti motori speciali metodi indiretti eleborazioni sul modello del motore osservatori di flusso sistema non lineare a parametri variabili stimatori di flusso più semplici Azionamenti Elettrici 3-25

26 standard a magneti permanenti ibrido Motori a Riluttanza Variabile Motore passo passo Motore coppia a riluttanza variabile standard a magneti permanenti Azionamenti Elettrici 3-26

27 Motore passo-passo b 3 a a c 3 c b Motore a 4 fasi del tipo Alimentando una fase con una corrente costante il rotore si porta nella posizione per la quale il circuito magnetico assume la minima riluttanza e cioè con una coppia di denti (a- a ) allineati con la fase alimentata (1-1 ). La coppia dipende dal quadrato della corrente e dalla posizione. Motore fortemente nonlineare moti incrementali Azionamenti Elettrici 3-27

28 Motore passo-passo 2 b 3 c 4 Funzionamento Motore a 4 fasi del tipo 6-8 fase 1-1 alimentata 1 a a 1 c b Azionamenti Elettrici 3-28

29 Motore passo-passo 1 2 a b 3 c c b a 4 1 Funzionamento Motore a 4 fasi del tipo 6-8 fase 2-2 alimentata Azionamenti Elettrici 3-29

30 Motore passo-passo 2 b 3 c a 4 Funzionamento Motore a 4 fasi del tipo 6-8 fase 3-3 alimentata 1 a c b Azionamenti Elettrici 3-30

31 Motore passo-passo 1 2 b a c 3 c a b 4 1 Funzionamento Motore a 4 fasi del tipo 6-8 fase 4-4 alimentata Azionamenti Elettrici 3-31

32 Motore coppia statore rotore Un solo circuito è necessario per generare coppia Più fasi sono necessarie per garantire un movimento continuo N. denti di rotore = N. poli molti denti molta coppia e bassa velocità. controllo molto complesso Vista di dettaglio di: motore motore lineare motore motore rotativo Azionamenti Elettrici 3-32

33 Motore coppia Funzionamento statore rotore Azionamenti Elettrici 3-33

34 Motore coppia Funzionamento statore rotore Azionamenti Elettrici 3-34

35 Motore coppia Funzionamento statore rotore Azionamenti Elettrici 3-35

36 Motore passo-passo Pro Semplicità di controllo Costo contenuto Elevato rendimento Calore sullo statore Elevate coppie a bassa velocità Coppia di mantenimento Controllo di posizione senza sensore Adatto anche per applicazioni informatiche grosse potenzialità di sviluppo per i motori a Riluttanza Variabile controllati in modo continuo Contro Caratteristica non lineare Adatto solo per movimenti incrementali Bassa potenza velocità massima limitata dalla tensione Azionamenti Elettrici 3-36

37 Motori lineari La geometria dei circuiti magnetici è tale da generare una forza anzichè una coppia. L allestimento meccanico è realizzato per generare movimenti lineari (spesso limitati) Esistono motori lineari sincroni a magneti permanenti asincroni ad induzione a riluttanza variabile Azionamenti Elettrici 3-37

38 Azionamenti Elettrici Parte 2 Tipologie dei motori e relativi azionamenti: Motori asincroni Motori e Riluttanza Variabile FINE Prof. Alberto Tonielli DEIS - Università di Bologna Tel mail: atonielli@deis deis.unibo.itit