Azionamenti Elettrici Parte 2 Tipologie dei motori e relativi azionamenti: Motori a collettore e Sincroni

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1 Azonment Elettrc Prte 2 Tpologe de motor e reltv zonment: Motor collettore e Sncron Prof. Alberto Tonell DEIS - Unverstà d Bologn Tel E-ml ml: tonell@des des.unbo.tt

2 Prte 1 Indce generle del corso Introduzone, rchm d Controll Automtc ed Elettrotecnc Generzone elettromgnetc d copp Prte 2 Tpologe de motor elettrc e de reltv zonment Motor ed zonment C.C. Motor ed zonment Brushless (sncron mgnet permnent) Motor ed zonment Asncron d Induzone Motor psso-psso e copp Prte 3 Introduzone l controllo ss Prte 4 Scelt dell'zonmento Dmensonmento del motore e dell'mplfctore Esemp d dmensonmento Azonment Elettrc 2-2

3 Cenn sugl mplfctor d potenz Motor collettore (C.C.) prncpo d funzonmento controllo d copp Motor Brushless cmpo trpezodle prncpo d funzonmento controllo d copp Motor Brushless cmpo snusodle prncpo d funzonmento controllo vettorle d copp Motor sncron d nduzone Indce dell Second Prte prncpo d funzonmento controllo d veloctà n cten pert e vettorle d copp Motor rluttnz vrble psso-psso e motor copp Azonment Elettrc 2-3

4 Component d un Azonmento Converttore d potenz tensone d lmentzone converttore tensone d usct ngresso d controllo lmentzone usct ngresso d controllo Azonment Elettrc 2-4

5 Component d un Azonmento Converttore d potenz E E A 1 3 B A 1 3 B C 5 b c A 2 B 4 A 2 B 4 C 6 ) b) monofse 3-fse Azonment Elettrc 2-5

6 Component d un Azonmento Modulzone lrghezz d mpulso (PWM) A V out = 20% A V out = 0 A V out = -20% B B B T T T ) b) c) Azonment Elettrc 2-6

7 Converttore d Potenz E I Corrente non snusodle V c dstorsone rmonc sull rete E A 1 3 B Problem: rendmento energetco mlfunzonment condens.. d rfsmento trsform.. med tensone AC/DC A 2 B 4 DC/AC Azonment Elettrc 2-7

8 Component d un Azonmento Power trnsstors Tpo Bpolre MOS-FET IGBT Potenz < 400KW < 10KW < 600 KW Frequenz 5-8KHz KHz 12-20KHz Corrente < 500A < 100A < 800A Tensone < 1400V < 800V < 1800V Azonment Elettrc 2-8

9 Component d un Azonmento Motor rluttnz fss Motore collettore mgnet permnent n corrente contnu Motore sncrono mgnet permnent Brushless cmpo trpezodle Brushless cmpo snusodle Motore sncrono d nduzone con rotore gbb d scottolo Azonment Elettrc 2-9

10 Motore collettore Pro Nell versone MP è un sstem lnere Sstem utostblzznte Almentzone sngol n contnu Semplctà d controllo Molto usto n utomzone Contro Collettore e conttt strscnt Gener clore sul rotore Non doneo n mbent stur d gs nfmmbl (vernctur) veloctà mssm fss e lmtt dll tensone Azonment Elettrc 2-10

11 Motore collettore Sttore Rotore N Rotore: vvolgment n sere cortocrcutt ϕe A B S sezone trsversle Isolnte Conduttore Azonment Elettrc 2-11

12 Motore collettore Collegment degl vvolgment d rotore Azone delle spzzole e del collettore 1 1 I A B I 6 6 I A B I A B Azonment Elettrc 2-12

13 N ϕe S Motore collettore Crtterstche strutturl dervnt dll costruzone drezone d I costnte collettore/spzzole drezone d I e costnte per costruzone vlore d I vrble vlore d ϕ e ecc. sepr. vrble mgn. perm. costnte Azonment Elettrc 2-13

14 Motore collettore - modello Due crcut elettrc Ecctzone Armtur dϕ ce dϑ 1 2 cj c m= j j = cos t. 2 j= 1 dϑ = 0 dϕ N ϕe S dϕ c dϑ ϑ = 0 = ϕ e Copp F.e.m. c m = K ϕ e = K ϕ e ω Azonment Elettrc 2-14 e

15 Motore collettore - modello mtemtco Armtur Ecctzone v v e = = r r e d L d ϕ e e K ϕ e ω Copp c m = K ϕ e motore con mgnet permnent c = K m d v = r L K mω m Azonment Elettrc 2-15

16 v v Motore collettore MP - schem blocch K ω = r m L d d dw = r L J = ( c ) m c r v () s = r () s sl () s c = K m m Jws = ( ) c m c r v v - 1 RLs Km Cm Cr - 1 Js ω Km Azonment Elettrc 2-16

17 Motore collettore - Veloctà mssm d rotzone v Kϕ r eω = L d ϕ e se v ω = = Kϕ e ω mx deflussggo non con MP ω mx ω v = 0 C m = 0 ω < ω mx ω può essere > ω mx v v - 1 RLs Km Cm Cr - 1 Js ω Km Azonment Elettrc 2-17

18 Azonment per motore c.c. M.P. Controllo d copp = controllo d corrente Tsp 1 Km Isp - PID V mplf. motore I ngresso opzonle n copp Azonment Elettrc 2-18

19 Sncrono Mgnet Permnent - Brushless Pro Contro elevt: rpporto potenz/peso ffdbltà cpctà d sovrccrco veloctà mssm ssenz d spzzole bss nerz elevte ccelerzon clore solo sullo sttore l potenz fornt gener solo copp e non cmpo funzonmento n mbente ostle costo reltvmente elevto problem lle lte temperture (smgnetzzzone) n mbent con presenz d polver ferromgnetche. veloctà mssm lmtt dll tensone lmtt extrveloctà con zonmento vettorle Azonment Elettrc 2-19

20 Sncrono Mgnet Permnent (Brushless( Brushless) F 1 F 2 Sezone dello sttore d un motore bfse due pol F1 fse #1 F2 fse #2 F 2 F 1 Tutto qunto rcvto nel seguto vle nche per motor trfse con neutro nccessble Azonment Elettrc 2-20

21 Sncrono Mgnet Permnent (Brushless( Brushless) F 1 I s I s2 2 1 F 2 Dgrmm vettorle delle corrent d fse (I s1, I s2 ) e dell loro rsultnte I s Se: I s1 = IM snωt I s2 = IM cosωt I s =1.41IM cos(ωt-π/4) I s1 F 2 F 1 ss delle spre equvlent due vvolgment d sttore Azonment Elettrc 2-21

22 Sncrono Mgnet Permnent (Brushless( Brushless) F 1 F 2 Is N S ϕr F 1 F 2 Sezone del motore completo Struttur oppost l motore collettore mgnet permnent sul rotore vvolgment sullo sttore brushless senz spzzole tutt motor AC sono Brushless Azonment Elettrc 2-22

23 Brushless cmpo trpezodle Relzzzone cmpo trpezodle lmeno tre fs ϕ c (ϑ) ϕ cb (ϑ) ϕ cc (ϑ) lnere con ϑ non lnere con ϑ ndmento del flusso conctento (ϕc)( corrente costnte Azonment Elettrc 2-23

24 Brushless cmpo trpezodle ϕ c ϕ cb = dϕ n cj c m j j = cos t. j = 1 dϑ ϕ cc dϕ c dϑ dϕ cb dϑ dϕ cc dϑ Per ogn fse c sono due regon nelle qul, con corrente costnte, l copp è costnte. Alternndo le fs ed segn delle corrent s può ottenere copp costnte sul gro. Azonment Elettrc 2-24

25 Brushless cmpo trpezodle Crtterstche prncpl Progettto per fornre f.c.e.m. trpezodle sottoutlzzo n termn d nerz, rendmento e peso L presenz dell nduttnz d sttore mpedsce ll corrente d commutre n tempo nullo ondulzone d copp Dspostvo per l msur dell poszone semplce ed economco Prmo tpo d Brushless n commerco (SIEMENS) Applczon fno qulche centn d Wtt perferche per clcoltor Azonment Elettrc 2-25

26 Azonment per motore sncrono M.P controllo d copp controllo d corrente schem per plotggo d fse sngol Problem nelle commutzon d settore l corrente d fse evolve con dnmc 0 Tsp 1 km Isp PID CUR V swtch logc PWM Inverter Motor ϑ sgn ϑ sector Hll sensors I Azonment Elettrc 2-26

27 Azonment per motore sncrono M.P d 1 L ( v e) d E L bss veloctà ω 0 e 0 d E L lt veloctà t t t med veloctà ω ωmx/2 e E/2 ω ωmxmx e E d d d E L Azonment Elettrc 2-27 E 2L 3E 2L d 2E L

28 Azonment per motore sncrono M.P Effett dnmc dell corrent sulle commutzon A bss veloctà Ad lt veloctà ϑ=120 t ϑ=120 t rpple d copp b b ϑ=120 t ϑ=120 t controllo d corrente per ogn fse Azonment Elettrc 2-28

29 Brushless cmpo snusodle - modello Due crcut elettrc fse 1 fse 2 v v α = = R R α dϕ c dϕ α c ϕ ϕ cα c = ϕ ϕ cos ϑ = ϕ α r ϕ sn ϑ r ϕr ϑ α v v α = = R R α dϕ dϕ α ω ϕ snϑ r ω ϕ r cos ϑ ss mgnetc delle fs Per rcvre l copp s clcol l potenz ssorbt dl motore come v v = P = P P α α A Dss Im m P Mecc Azonment Elettrc 2-29

30 Brushless cmpo snusodle - modello Due crcut elettrc fse 1 fse 2 v v = P = P P α α A Dss Im m P Mecc α P P P Dss Imm Mecc = R 2 α dϕα = = ω ϕ R α r 2 dϕ ( snϑ cosϑ) α ϕr ϑ ss mgnetc delle fs C m ( snϑ cosϑ) = k c α Azonment Elettrc 2-30

31 Brushless cmpo snusodle - modello C m Due crcut elettrc ( snϑ cosϑ) = k c α se I 1 = I m cosα ( α ϑ ) I 2 = I m snα cm = k c I m ( cos α snϑ snα cos ϑ ) c = k I sn m c m fse 1 fse 2 I ϕr γ α ϑ α se α = ϑ γ c m = k c I m sn γ c m costnte solo se α e ϑ ruotno sncron c m = c mmx per un dt I m se γ = ±π/2± Azonment Elettrc 2-31

32 Brushless bfse cmpo snusodle - modello Equzon del motore dα R ϕ r vα = α ( snϑ) ω L L L d R ϕ v r = ( cosϑ) ω L L L cm = kc ( 1snϑ 2 cosϑ) q 2 x ϑ d 1 rfermento fsso d sttore grndezze snusodl Rfermento rotnte sncrono grndezze contnue Azonment Elettrc 2-32

33 Brushless bfse cmpo snusodle - modello Equzon del motore dα R ϕ r vα = α ( snϑ) ω L L L d R ϕ v r = ( cosϑ) ω L L L cm = kc ( 1snϑ 2 cosϑ) 2 rfermento fsso d sttore grndezze snusodl Rfermento rotnte sncrono q x d grndezze contnue ϑ 1 Azonment Elettrc 2-33

34 Brushless bfse cmpo snusodle - modello Equzon del motore dα R ϕ r vα = α ( snϑ) ω L L L d R ϕ v r = ( cosϑ) ω L L L cm = kc ( 1snϑ 2 cosϑ) 2 rfermento fsso d sttore grndezze snusodl Rfermento rotnte sncrono q x d grndezze contnue ϑ 1 Azonment Elettrc 2-34

35 Brushless bfse cmpo snusodle - modello Equzon del motore dα R ϕ r vα = α ( snϑ) ω L L L d R ϕ v r = ( cosϑ) ω L L L cm = kc ( 1snϑ 2 cosϑ) modello nel rfermento fsso d sttore grndezze snusodl d d m d q c R = L R = L = k c q d q ω ω d q 1 vd L keω L non lnertà 1 L v q modello nel rfermento rotnte d flusso grndezze contnue f.e.m. Azonment Elettrc 2-35

36 Brushless cmpo snusodle - modello I motor ndustrl sono tutt trfse le equzon del motore trfse (,b,c) s trsformno nelle stesse equzon gà vste per l motore bfse (1,2) sosttuendo lle nduttnze d fse L le nduttnze equvlent (L-M) M è l mutu nduttnz tr due fs L deduzone successv delle equzon nel rfermento (d-q) è l medesm Azonment Elettrc 2-36

37 Schem blocch Brushless snusodle vd 1 RLs d d d R = d ω 1 q L L v d se d=0 Lω q Lω d q ω d d q C m = = k c R L q q ω d keω L 1 L v q cr vq - 1 RLs - q k c cm 1 J ω ϑ f.e.m. Motore collettore k e Azonment Elettrc 2-37

38 Azonment per motore sncrono M.P. AC Brushless - cmpo snusodle Controllo d orentmento d cmpo (Vettorle) Tsp 1 km Iqsp PID CUR Vq ρ PWM V Inverter Motor ϑ Idsp=0 PID CUR Vd Id T nv ϑ RTD I Resol- ver Iq T dr A/D I/O nterfce Azonment Elettrc 2-38

39 Azonment per motore sncrono M.P. AC Brushless - cmpo snusodle Controllo Vettorle Occorre un sensore contnuo d poszone Resolver elevt complesst' computzonle lnerzzzone de loop d corrente mssme prestzon dnmche veloct' un poco superore quell nomnle ottme prestzon tutte le veloctà (copp d fermo) possbltà d coggng bss veloctà Azonment Elettrc 2-39

40 Azonment Elettrc Prte 2 Tpologe de motor e reltv zonment: Motor collettore e Sncron FINE Prof. Alberto Tonell DEIS - Unverstà d Bologn Tel E-ml ml: tonell@des des.unbo.tt