azionamento I quadranti di un azionamento motore cc Gli azionamenti dei motori

Transcript

1 Gli azionamenti dei motori Per azionamento si intende, in generale, un insieme di apparecchiature, gruppi convertitori, attuatori, organi di trasmissione, macchine operatrici, dispositivi di controllo. azionamento la sua funzione è lo svolgimento di un certo numero di operazioni, quali cicli di lavorazione o movimenti di organi meccanici, con prestabilite leggi di moto (posizione e velocità). I quadranti di un azionamento motore cc Freno meccanico/generatore elett. Q2 w>0 C<0 P<0 Velocità Q1 w>0 C>0 P>0 motore motore Q3 w<0 C<0 P>0 Q4 w<0 C>0 P<0 Coppia Freno meccanico/generatore elett. 1

2 Unità N 1: Generalità sui dispositivi elettronici di potenza I moderni sistemi di controllo e comando delle macchine elettriche impiegano diffusamente dispositivi elettronici di potenza, grazie ai quali è possibile, ad esempio automatizzare e ottimizzare la regolazione della velocità I dispositivi a semiconduttore sono utilizzati come interruttori I I V OFF I = 0 ON I > 0 Dispositivi elettronici di potenza scr DIODI SCR (Raddrizzatori Controllati al Si)* SWITCH CONTROLLATI: È un diodo controllato G A K I ILcorrente di aggancio - BJT Gate VBD IL Ih - MOSFET - IGBT - GTO* (Gate Turn-Off) anodo P N P N catodo 0,6 V VBO IH corrente di mantenimento * SCR e GTO = TIRISTORI 2

3 IGBT Transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) sono transistor BJT con in-tegrato uno stadio di comando a MOS. Sono pilotabili, quindi, in tensione. Hanno perdite di comando e frequenze operative intermedie tra MOSFET e BJT. IGBT G C E Prestazioni limite dei vari componenti Gli inverter [kv] IGBT MCT GTO tiristori 2 BJT sviluppo 1 MOSFET previsto 1 khz per l MCT 10 khz khz [ka] MHz frequenza Gli inverter Negli inverter si riconoscono tre parti fondamentali: il raddrizzatore detto anche convertitore CA-CC il filtro il convertitore CC-CA Scopo del raddrizzatore è di trasformare la corrente alternata monofase e trifase in c.c.. Spesso ha anche il compito di recuperare l energia elettrica durante la fase di frenatura. 3

4 INVERTER Schema generale di un azionamento con motore elettrico Filtro Inverter Convertitore dc-ac Rete di alimentazione AC Convertitore AC/DC INVERTER MOTORE M 3 ~ M CONTROLLO COMANDO DUE CASI Rete di alimentazione in corrente continua (es. linee ferroviarie): solo INVERTERS (fig.2) Rete di alimentazione in alternata:doppia conversione per avere a monte del motore l alternata a frequenza variabile (caso della pagina precedente - fig. 3) INVERTER DC/AC AC/DC DC/AC M M Fig. 2 Fig. 3 4

5 Per capire il funzionamento, si farà il caso semplice di un convertitore a ponte di SCR, con carico resistivo Vs = Vmax sin ωt vs T1 T3 T2 T4 R id vd FUNZIONAMENTO Vs > 0: T1 e T4 sono polarizzati direttamente; si possono accendere con l impulso di gate, mentre T3 e T4 sono polarizzati in inversa Vs < 0: è il contrario del caso sopra! Ig1 Ig2 Ig3 Ig4 vd ωt = θ Variando l angolo di innesco, la Vd si modifica e varia, di conseguenza, la tensione media sul carico (<Vd>). α = angolo di innesco <Vd> = valor medio della Vd <Vd> = V max (1+cos α)/π Variando l angolo di conduzione varia la componente continua <Vd> = V max (1+cos α)/π I valori medi dipendono da α; La conduzione è discontinua per α compreso fra 0 e π; Conduzione discontinua = una coppia di SCR si spegne prima che si accende l altra coppia di SCR. 5

6 V medio Dimostrazione del valor medio 1 t 1 α = V sin sin 0 max θ dθ = 0 max θ θ π V d = T Vmax α Vmax = [ cosθ ] 0 = (1 cosα). π π La presenza dello stesso collettore e delle spazzole, richiedendo una costante manutenzione, ha reso svantaggioso l uso dei motori in corrente continua a vantaggio degli asincroni e dei brushless. Nel brushless è il sensore che rileva la posizione del rotore e consente di avere l ortogonalità tra il flusso rotorico Φr e quello statorico Φs. Confronto con il motore in cc Nel brushless la commutazione riguarda lo statore In effetti, nel brushless il collettore a lamelle e le spazzole sono state sostituite da un sistema di commutazione elettronico retroazionato in cui l istante per la corretta commutazione è segnalata da dei sensori. manutenzione di gran lunga inferiore per l assenza delle spazzole; maggiore efficienza dovuta all assenza di un collettore e delle spazzole; lunga durata; possono operare a velocità che raggiungono anche i giri al minuto ed oltre; coppia elevata; bassa inerzia e di conseguenza brevi tempi di avviamento dovuti alla leggerezza del suo rotore che è costituito da una struttura a magneti permanenti (ceramici, a terre rare ecc.) che gli permette di ottenere un basso momento di inerzia, molto utile nelle applicazioni quale servoposizionatore 6

7 tipi Una distinzione tra i motori brushless è fatta in base il tipo di segnale che alimenta gli avvolgimenti di statore: se è di tipo trapezoidale il motore viene classificato come un DC brushless, se di tipo sinusoidale come AC brushless. Ψmax Ψ(θ),e(θ) θ e 30 e 1 Ψ 1 Ψ 2 e 2 Brushles trapezio o dc brushless 30 Flusso concatenato θ Poiché la forma d onda dell induzione e 1 +e e non è perfettamente triangolare ma è 2 smussata, l andamento effettivo della fem risultante è quello tratteggiato (trapezoidale) θ 150 a1 a2 Fcem trapezoidale A2 + A1 + FORMA TRAPEZOIDALE DELLA fcem Andamento del flusso: realizzato lineare per ampi tratti Le Correnti nelle tre fasi sono continue da cui il nome dc brushless Andamento della f.c.e.m. che è di tipo trapeziodale: è la derivata del flusso conc. NB. Per RADDOPPIARE la potenza si può pensare di ALIMENTARE con corrente negativa quando la fcem diventa negativa Le Correnti nelle tre fasi sono continue 7

8 Andamento correnti in un dc brushless Ogni switch conduce per 180 ed ha una commutazione per periodo Ogni fase conduce per 2/3 del periodo; vi è sempre quindi conduzione simultanea di due fasi, per alimentare opportunamente è necessario rilevare la posizione con sensori effetto Hall Andamento I UV della corrente I VW I WU h I Effetto Hall V v H B L v t Edwin Hall, studente di 24 anni scoprì che la tensione, da ora chiamata tensione di Hall, V H, è direttamente proporzionale al flusso magnetico che attraversa la lamina d oro, l angolo con cui lo attraversa, e l intensità di corrente usata la tensione di Hall risulta VH=BLv Sensori Hall Principio di funzionamento : dc brushless I sensori effetto Hall rilevano la posizione del rotore Come sensori i generatori ad effetto Hall trovano impiego per rilevare le correnti, i campi magnetici o come interruttori controllati da un campo magnetico si possono rilevare per esempio la velocità di rotazione di alberi meccanici La logica di controllo commuta I transistor in modo da alimentare opportunamente gli avolgimenti Images courtesy of Servo Magnetics ( 8

9 DC BRUSHLESS La forma d onda trapezoidale richiede un sistema di controllo più semplice rispetto a quello sinusoidale essendo la forma d onda a trapezio più facile da ricreare. La coppia risulta costante C=kt(IaEa+IbEb+IcEc) Dc brushless E possibile adoperare, encoder a bassa risoluzione ottenendo sistemi brushless più economici anche se la precisione della coppia è inferiore ai sistemi sinusoidali. L ondulazione di coppia va dal 4 al 15 % mentre è solo del 3% in quelli sinusoidali ciò produce una variazione della velocità particolarmente visibile alle basse velocità. Schema a blocchi dc brushless Ac brushless Il motore brushless AC è in sostanza una evoluzione di quello DC. Nel motore a controllo sinusoidale ( AC brushless) il motore è pilotato applicando una corrente sinusoidale agli avvolgimenti senza alcuna manipolazione. Queste correnti hanno un opportuno sfasamento, 120 nel caso di motori trifase. In questo caso è necessario un encoder ad alte risoluzione se si vuole mantenere una rotazione regolare anche alle basse velocità con bassissimi ripple di coppia. Il prezzo da pagare è una maggiore complessità del driver per generare le corrente sinusoidale opportune per mantenere uno sfasamento di 90 tra corrente magnetizzante e la co mponente che produce la coppia. 9

10 La corrente totale (Is) è scomponibile in una componente (Id) magnetizzante o reattiva che produce il flusso e una componente (Iq) attiva che produce la coppia. La componente magnetizzante deve mantenersi costante nelle diverse condizioni di carico meccanico (con flusso costante). Espressione coppia ac bushless Vediamo ora di capire perchè un motore controllato in onda sinusoidale fornisca coppia costante. Per semplificare ipotizziamo un motore bifase Se un conduttore è portato in un campo magnetico una forza F è esercitata sullo stesso F = I* * I * B * sen(δ). l è la lunghezza del filo, ed I e B formano un prodotto vettoriale δ angolo tra B e I Espressione coppia ac bushless Ora il motore per una fissata corrente I di una delle due fasi in un assegnato istante t0 fornisce una coppia C =IKt sinϑ dove Kt è la costante di coppia in realtà la i è sinusoidale ed è imposta dall inverter pari a i=isin sinϑ e quindi la coppia C =( =(I sinϑ) Kt sinϑ=i Kt sin 2 ϑ Espressione coppia ac bushless L altra delle due fasi, essendo sfasata di 90, fornirà una coppia C =I Kt cos 2 ϑ e la coppia totale: Ctot=C + C = I Kt cos 2 ϑ+ I Kt sin 2 ϑ = IKt La costanza della coppia vi è se il driver è in grado di ricostruire una perfetta relazione seno-coseno nelle correnti dei due avvolgimenti. Un microprocessore dedicato consente di calcolare la corretta corrente in base alla posizione e alla coppia 10

11 ENCODER INCREMENTALI L'elemento fotosensibile ( un fotodiodo o un fototransistor) genera un treno di impulsi ed il loro numero è pari al numero delle zone trasparenti, alternate alle scure, intercettate dal blocco emettitore-ricevitore. Il conteggio di questi impulsi consente di individuare la rotazione compiuta dal disco Un encoder in cui sia presente solo una serie di feritoie non consente di individuare il verso in cui il disco ruota. Viene ricavata una seconda serie di feritoie, sfalsata rispetto alla prima di un quarto di passo, essendo il passo la distanza tra due zone trasparenti successive. E' ovviamente necessaria la presenza di una seconda sorgente luminosa e di un secondo sensore. Encoder assoluti In questi encoder non si ha una semplice successione di zone chiare e di zone scure, ma le zone chiare e quelle scure, rappresentano, lette su una linea perpendicolare alle piste o su un raggio una parola in un certo codice binario Un codice binario puro non è tuttavia adatto ad essere utilizzato in un encoder. Si ha che in alcune posizioni, passando da un numero binario al successivo, varia più di una cifra. Ad esempio passando dal n. 3 (011) al n. 4 (100) si ha una variazione contemporanea di tutte e tre le cifre. Codice Gray 11

12 LED ENCODER INCREMENTALI ED ASSOLUTI ENCODER INCREMENTALE: contando gli impulsi permette di valutare lo spostamento rispetto ad una posizione iniziale fotorivelatore ENCODER ASSOLUTO: fornisce la posizione assoluta fotorivelatori tracce ogni livello ha una risoluzione doppia rispetto a quello inferiore; con 10 tracce vengo ad avere una risoluzione di 2 10 =1024 impulsi per giro (nota: i segnali provenienti dai fotorivelatori possono essere interpretati direttamente come una codifica binaria della posizione) I RESOLVER Il resolver è un trasduttore per la misura di spostamenti angolari molto utilizzato sia nel campo delle macchine utensili che della robotica I due solenoidi, di cui uno fisso e l altro rotante, sono disposti intorno ad uno stesso nucleo di ferro, fatto di lamierini isolati: in base alle loro posizioni reciproche tutto il flusso dovuto al primo avvolgimento risulta concatenato totalmente o solo parzialmente con il secondo. Si avrà perciò una tensione indotta avente caratteristiche che dipendono dalla loro posizione reciproca. I resolver Negli avvolgimenti di statore si generano quindi f.e.m. sinusoidali di ampiezza proporzionale rispettivamente a sen(q) e cos(q). Le tensioni prodotte negli avvolgimenti di statore vengono elaborate da un circuito elettronico (spesso contenuto in un ASIC) che ne rivela le ampiezze relative, ricavandone la posizione angolare q. Lo stesso circuito calcola anche la velocità angolare ω RESOLVER senza spazzole avvolgimenti di statore primario del trasformatore rotante (f=8 khz) albero per l accoppiamento al motore avvolgimenti di rotore secondario del trasformatore rotante statore rotore statore V e =10 V 8 khz V R V 2 V 1 statore 12

13 La dinamo tachimetrica La dinamo tachimetrica è un piccolo generatore di corrente continua. Nello statore è presente un magnete permanente. Il rotore racchiude l avvolgimento indotto. Rispetto le tradizionali dinamo si pone molta cura nella costruzione per evitare attriti e eccentricità che falserebbero la lettura. Si ricorda che una spira conduttrice interessata da un flusso variabile nel tempo produce ai suoi capi una f.e.m. l andamento di tale forza elettromotrice è sinusoidale. Ora ciascun avvolgimento contribuisce alla tensione complessivo con una propria tensione ed ogni f.e.m. sarà sfasata rispetto la precedente La somma di queste sinusoidi sfasate fornisce una tensione pressoché continua ma che presenta una certa ondulazione, la tensione, pertanto, deve essere filtrata per evitare problemi nei sistemi di controllo La tensione continua in uscita è legata alla velocità di rotazione dalla relazione dove KD è la costante della dinamo mentre ω è la velocità angolare in giri /min. Per le dinamo tachimetriche commerciali la KD vale V per 1000 giri/min La tensione di uscita è sostanzialmente continua ed il suo valor medio Vo è espresso dalla relazione: V o = E - I a R a = K d *N - I a *R a dove E = Kd*N è la tensione a vuoto, Kd la costante tachimetrica, N la velocità angolare (giri/min), Ra la resistenza degli avvolgimenti e Ia la corrente negli avvolgimenti. E importante nell utilizzo di far lavorare la dinamo tachimetrica a vuoto per evitare che la misura sia falsata dalle cadute di tensione sulla resistenza degli avvolgimenti del rotore N S 13