REALIZZAZIONE DIGITALE DI ALGORITMI DI CONTROLLO DIRETTO DI COPPIA PER MOTORI ASINCRONI

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DELL INFORMAZIONE Dottoato di Riceca in Tecnologie dell Infomazione XXIV Ciclo Andea Rossi REALIZZAZIONE DIGITALE DI ALGORITMI DI CONTROLLO DIRETTO DI COPPIA PER MOTORI ASINCRONI DISSERTAZIONE PRESENTATA PER IL CONSEGUIMENTO DEL TITOLO DI DOTTORE DI RICERCA Gennaio 01

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA Dottoato di Riceca in Tecnologie dell Infomazione XXIV Ciclo REALIZZAZIONE DIGITALE DI ALGORITMI DI CONTROLLO DIRETTO DI COPPIA PER MOTORI ASINCRONI Coodinatoe: Chia.mo pof Maco Locatelli Tuto: Dott. Ing. Calo Concai Dottoando: Andea Rossi Gennaio 01

Ai agazzi del laboatoio

Indice. Indice. 7 Pefazione. 9 Capitolo 1. Il motoe asincono 11 1.1. Stoia e pincipio di funzionamento del Motoe Asincono 11 1.. Caatteistiche costuttive del Motoe Asincono 13 1..1. Lo statoe 13 1... Il otoe 18 1.3. Schema elettico equivalente del Motoe Asincono 19 1.4. Caatteizzazione del Motoe Asincono 1.4.1. La pova a vuoto 3 1.4.. La pova in coto cicuito 4 1.4.3. La misua della esistenza degli avvolgimenti di statoe 6 1.4.4. La pova di diseccitazione 6 1.5. Espessione della Coppia e della Potenza nel Motoe Asincono 7 Capitolo. Le tecniche più diffuse di contollo del Motoe Asincono 31.1. I contolli scalai 3.1.1. Il contollo V/f 33.. I contolli vettoiali 38..1. Il contollo ad oientamento di campo indietto 39... Il contollo ad oientamento di campo dietto 41

8 Indice..3. Il contollo dietto di coppia DTC 46..4. Il contollo del tipo DB-DTC 48 Capitolo 3. Contollo dietto di coppia semplificato pe micocontolloi digitali 51 3.1. Le necessità di sviluppae un nuovo contollo 5 3.. Concetti di base del DTC 56 3.3. Innovazione del contollo: DTC semplificato pe micocontolloi digitali 58 3.4. Il paallelismo con il contollo di un bushless DC 61 Capitolo 4. Hadwae impiegato pe la ealizzazione del contollo 63 4.1. L alimentazione e l invete 64 4.. Misua delle gandezze d inteesse 66 4.3. Ingessi ed uscite della scheda 67 4.4. L unità di contollo 68 4.5. Cenni sulla stuttua del softwae 69 Capitolo 5. Risultati speimentali 71 5.1. Regolazione di flusso e tensione al motoe 71 5.. Pove speimentali 76 5.3. Valutazioni conclusive 8 Bibliogafia. 85 Testi e pubblicazioni scientifiche 85 Documentazione tecnica 87 Intenet 88

Pefazione. Nel passato il motoe in coente continua, pe la sua semplicità di egolazione, ea il tipo di motoe maggiomente utilizzato nei campi dove ea ichiesta velocità vaiabile o il contollo sepaato di flusso e coppia. Tuttavia essi pesentano numeosi svantaggi ispetto ai motoi in coente altenata, fa cui la necessità di manutenzione peiodica di collettoe e spazzole, la velocità di otazione limitata, una bassa sovaccaicabilità, un elevato momento d inezia, elevate dimensioni in appoto alla potenza. I motoi in coente altenata isolvono buona pate di questi poblemi a fonte, tuttavia, di una maggioe difficoltà di contollo. La possibilità di impiegae motoi asinconi, inizialmente usati sempe a velocità costante, come attuatoi negli azionamenti a velocità vaiabile, è nota da molti anni. Già nella pima metà del ventesimo secolo, infatti, fuono compiuti i pimi studi pe analizzae la possibilità di impiegae, pe queste applicazioni, motoi in coente altenata al posto del motoe in coente continua. Lo sviluppo di azionamenti efficienti con motoi asinconi ha, peò, dovuto attendee la metà degli anni 80, a seguito di un apido sviluppo della tecnologia elettonica. In questi anni, infatti, si è assistito ad una pofonda tasfomazione dell elettonica di potenza, dovuta allo sviluppo di nuovi tansisto BJT, MOS, IGBT. Fa le macchine in coente altenata, il motoe asincono è quello che nel passato è stato utilizzato in modo pevalente pe moltissime applicazioni industiali che non avevano necessità di contollo di velocità o di coppia. Esso può essee alimentato diettamente dalla coente altenata di ete monofase o tifase senza alcuna appaecchiatua elettonica di contollo, e

10 Pefazione nella diffusissima vesione con otoe a gabbia di scoiattolo, non ichiede la minima manutenzione. Il motoe asincono ha sempe appesentato il miglioe compomesso ta caatteistiche di funzionamento, efficienza e costi pe un azionamento in catena apeta pe divese applicazioni come: pompe, ventilatoi, compessoi, macchinai pe l edilizia, lavoazione del legno, impianti di sollevamento. Recentemente il motoe asincono sta vivendo una seconda giovinezza gazie alla possibilità di funzionae a velocità vaiabile con contolli che pemettono di ottenee elevate pestazioni dinamiche ed affidabilità, tanto da eguagliae i più modeni azionamenti con motoi bushless. Ta le tecniche di contollo ad elevate pestazioni, la pincipale è quella denominata Contollo ad Oientamento di Campo (aconimo inglese FOC, Field Oiented Contol) la quale ha lo scopo di egolae il flusso e la coppia della macchina contollandone le coenti. Una valida altenativa, anche se meno diffusa, è il contollo dietto di coppia (aconimo inglese DTC, Diect Toque Contol) il quale calcola i vettoi di tensione da applicae ai capi del motoe diettamente in funzione delle stime di eoi di coppia e di flusso. Questo lavoo descive lo sviluppo di un nuovo algoitmo di contollo pe motoi asinconi, deivato e basato sul DTC, ed i isultati ottenuti con tale tecnica. L algoitmo pesentato gaantisce le elevate pestazioni e il funzionamento silenzioso del FOC, pu mantenendo la semplicità ealizzativa del più elementae DTC.

Capitolo 1. Il motoe asincono Il motoe popiamente detto ad induzione, ma più noto come motoe asincono, costituisce la categoia più diffusa di motoi elettici. Esso appesenta la più impotante utilizzazione dei campi otanti geneati mediante un sistema tifase di coenti. Questo capitolo descive bevemente la stoia, il pincipio di funzionamento, la costuzione e la caatteizzazione del motoe asincono. 1.1. Stoia e pincipio di funzionamento del Motoe Asincono Il motoe asincono fu ealizzato la pima volta da Galileo Feais (1847-1897, ingegnee italiano vissuto a Toino) nel 1885, quale immediata conseguenza della sua scopeta del campo magnetico otante [1]. L appaecchio costuito da Galileo Feais ea costituito da due bobine uguali disposte con assi nomali fa loo come indicato in Figua 1.1.1, all inteno ea impeniato un leggeo cilindo di ame vuoto. Alimentando le bobine con due coenti altenate ta loo sfasate di un quato di peiodo, si genea un campo otante d intensità costante. Il funzionamento di questo dispositivo come motoe deiva dal fatto che il campo otante induce coenti nel cilindo. Queste a loo volta, immese in

1 Capitolo 1: Il motoe asincono un campo magnetico, ceano un complesso di foze magnetoelettiche (Legge di Loentz F = i l B o Regola della mano sinista []) costituenti nel loo insieme una coppia che tascina in otazione il cilindo. Figua 1.1.1 Motoe asincono secondo lo schema di Galileo Feais [1]. Nella sua otazione il sistema indotto non può mai aggiungee la velocità del campo otante, peché in tal caso cesseebbe il moto elativo ta il campo induttoe ed il sistema indotto. Questo scoimento pe la legge di Lenz (1.1): dφ e = (1.1) dt genea le coenti indotte nel otoe, e qualoa mancasse si avebbe coispondentemente la loo estinzione e peciò anche l annullamento dell azione motice.

Capitolo 1: Il motoe asincono 13 1.. Caatteistiche costuttive del Motoe Asincono La macchina asincona è costituita pincipalmente da uno statoe cavo e da un otoe cilindico coassiale al pecedente [3]. L albeo è sostenuto da due calotte che chiudono le estemità dello statoe. Può eventualmente essee pesente anche una ventola pe il affeddamento, diettamente calettata su una delle estemità dell albeo motoe come si vede in Figua 1..1 Figua 1..1 - Lo statoe cavo è chiuso alle estemità dalle calotte nelle quali sono inseiti, pe fozamento, i cuscinetti volventi che sostengono l albeo. Ad una delle estemità dell albeo, icopeta da una cuffia di potezione, è di sovente calettata una ventola pe il affeddamento ad aia fozata. 1..1. Lo statoe Modenamente le cacasse dei motoi sono ealizzate in alluminio come in Figua 1.., ed al loo inteno è alloggiato il pacco di lamieini isolati con veniciatua, sede del cicuito magnetico. Lo spessoe delle lamiee è

14 Capitolo 1: Il motoe asincono genealmente di 0.5 mm, la sua iduzione fino a 0. o 0.3 mm pota a idue le pedite nel feo (schematizzate in Figua 1..3), il iscaldamento del nucleo è minoe, ma tuttavia aumentano i costi dei mateiali e delle lavoazioni di punzonatua. Le lamiee sono costituite da Feo al Cabonio con una consideevole componente di Silicio, genealmente 1-%, fino al 3% qualoa si desidei idue ulteiomente la esistenza elettica e le coenti di Foucault, con la conseguenza di endee molto fagile il mateiale. Figua 1.. - Cacassa alettata in alluminio pesso fusa sul pacco, pe motoe tipo MEC, standadizzazione euopea del 1963 su dimensioni, ingombo e potenza dei motoi [4].

Capitolo 1: Il motoe asincono 15 Pedite nel feo Pedite pe isteesi Pedite pe coenti paassite (Foucault) P P cp ist = k = k cp ist f B f δ 1. 6 M B M M Fe M Figua 1..3 - Schema iassuntivo delle pedite nel feo del motoe asincono secondo [5]. Le pedite nel feo dipendono sempe dalla fequenza di alimentazione f, dall induzione massima B M e dalla massa di feo inteessata da vaiazione di induzione M Fe. Come descitto sopa le pedite pe coenti paassite aumentano anche all aumentae dello spessoe della lamiea δ. All inteno delle cave ealizzate nel pacco statoico sono alloggiati i conduttoi del cicuito induttoe. Gli avvolgimenti statoici di queste macchine si dicono distibuiti peché costituiti da conduttoi attivi ento le cave e collegati in modo appopiato. Due conduttoi attivi collegati da una connessione fontale costituiscono una spia. L insieme delle spie in seie ta loo e iunite costituiscono la matassa, i suoi lati vengono situati in cave a distanza oppotuna [3]. I lati di matassa esteni alle cave sono chiamati teste. La disposizione delle teste definisce il tipo d avvolgimento concentico (matasse concentiche di divese dimensioni) o embicato (matasse identiche pazialmente sovapposte, come gli embici di un tetto). È oppotuno notae che il compotamento elettomagnetico di un avvolgimento dipende dalla distibuzione dei lati attivi delle matasse nelle cave, mente l aspetto esteioe dipende dalla foma e dalla disposizione esteioe delle teste. La foma e la disposizione delle teste non influenzano il compotamento magnetico, tuttavia può caatteizzae un agevole opeazione d infilaggio delle matasse. Te avvolgimenti identici sfasati ta loo di 10 elettici, fomati da uno stesso numeo di matasse, costituiscono un avvolgimento tifase simmetico. Un elemento impotante pe la costuzione mateiale delle matasse è il cosiddetto passo, esso è definito come il numeo di cave di cui distano ta loo i lati attivi della stessa matassa, si veda la Figua 1..4. Fe

16 Capitolo 1: Il motoe asincono Figua 1..4 - Rappesentazione di una matassa alloggiata nelle cave statoiche. Passo 8, detto anche 1 9. Un alto elemento indispensabile nella definizione dello schema di avvolgimento è dato dal numeo di cave pe polo e pe fase q (1.): c q = (1.) 3 p c = numeo di cave dello statoe p = paia poli. Un avvolgimento con un numeo di cave pe polo e pe fase alto (da 4 a 8) è un avvolgimento con una miglioe foma del campo magnetico e quindi silenzioso e egolae nel funzionamento. L appossimazione sta nella foma della sinusoide che descive l andamento del flusso in funzione dello sviluppo angolae del tafeo. Nella Figua 1..5 e Figua 1..6 sono mostati due esempi di schemi di collegamento di una fase di avvolgimento simmetico tifase a passo inteo.

Capitolo 1: Il motoe asincono 17 Figua 1..5 Avvolgimento di una macchina a 36 cave, 4 poli ( paia), avvolgimento tipo concentico q = 3; passo 7-9-11, le matasse sono di 3 dimensioni divese in ogni guppo; collegamento ondulato delle matasse. Figua 1..6 Avvolgimento di una macchina a 4 cave, poli, avvolgimento embicato q = 4; passo 1, la matasse sono tutte identiche; collegamento a spiale delle matasse.

18 Capitolo 1: Il motoe asincono 1... Il otoe Il otoe di un motoe asincono, appesentato in Figua 1..7, come lo statoe, è costituito da un nucleo magnetico, e da un cicuito elettico. Da una similitudine con il tasfomatoe, si può die che il motoe elettico possiede il cicuito secondaio sempe in coto cicuito. Questo seve pe ottenee coenti di otoe maggioi e quindi più coppia. Figua 1..7 - Rotoe a gabbia di scoiattolo pe motoe asincono [3], gli anelli di cotocicuito uniscono i conduttoi costituiti da delle sbaette di ame o alluminio. Data la bassa fequenza che inteessa le coenti di otoe, spesso i lamieini del suo nucleo magnetico non sono isolati. Esistono fondamentalmente tipi di otoi: il otoe avvolto il otoe a gabbia di scoiattolo La pima soluzione è quella più complessa e costosa e pesenta un avvolgimento del tutto simile a quello dello statoe, ma con le fasi in coto. Il otoe avvolto pemette contollae le coenti di otoe. In passato tovava applicazione nella iduzione della coente di avvolgimento che segue ad un aumento della esistenza otoica. Attualmente, invece, tova applicazione nel campo della geneazione di enegia da fonte eolica negli aeogeneatoi di gandi dimensioni a velocità di otazione vaiabile (Doubly Fed Induction Geneatos [6]).

Capitolo 1: Il motoe asincono 19 La soluzione a gabbia di scoiattolo (appesentata in Figua 1..8) è quella notevolmente più adottata e che pemette i miglioi endimenti sotto caico, bassi scoimenti pe la idotta esistenza del secondaio, tuttavia le coenti d avviamento sono elevate. Nelle cave sono infilate delle sbaette di ame o di alluminio unite alle estemità del otoe con degli anelli di coto cicuito. Pe idue poblemi d impuntamento e pe miglioae la egolaità dell eogazione di coppia le cave sono leggemente inclinate (Figua 1..8), pe lo stesso motivo i numei di cave statoiche e otoiche pe polo devono essee pimi ta loo. Figua 1..8 - Pacco lamiee di un otoe pe motoe asincono con cave inclinate ( skeewing ) pe l alloggiamento dei conduttoi. 1.3. Schema elettico equivalente del Motoe Asincono L avvolgimento statoico descitto sopa, pecoso da coente altenata tifase di fequenza f, genea un campo magnetico otante alla velocità angolae: π f ω = 0 p

0 Capitolo 1: Il motoe asincono La velocità ω 0 è detta velocità di sinconismo. Immaginiamo che il otoe uoti ad una velocità pai ad ω, il otoe vedà il campo magnetico statoico uotae ad una velocità angolae pai a: S = ω 0 ω La quantità S è detta velocità di scoimento o scoimento assoluto. Lo scoimento elativo o semplicemente scoimento è invece definito come: ω0 ω s = S =. ω0 ω0 Ai capi d ogni spia otoica s induà una foza elettomotice di S fequenza e di valoe efficace: π dφ e = = K 1 Sφ dt dove K 1 è una costante dipendente da fattoi costuttivi della macchina [], e vuole solo sottolineae la popozionalità della f.e.m. indotta a flusso e scoimento. Questa tensione fa cicolae nel otoe una coente efficace: K1Sφ I = R + S L R e L sono ispettivamente la esistenza e l induttanza del otoe. Dato che questi conduttoi sono immesi in un campo magnetico, su di essi si geneano delle foze popozionali al flusso ed alla coente che li attavesa; la coppia vale: C = K I φ Essendo K una costante oppotuna. La coente di otoe ceeà a sua volta un campo otante alla pulsazione S, ed anche sullo statoe s induanno delle foze conto elettomotici e s. Con K si indicheà il appoto spie equivalente: e1 n1 K = = I = K e n I s

Capitolo 1: Il motoe asincono 1 Facendo ifeimento alla Figua 1.3.1, indicando la tensione d alimentazione di fase con V f, e la coente di statoe con I s, si può scivee la legge sulla cicuitazione delle tensioni di Kichhoff (KVL) pe lo statoe: V f = e s + I s R s + p ω L 0 s Figua 1.3.1 - Schema di pincipio di una fase dei cicuiti elettici di otoe e statoe. R s = esistenza di una fase di statoe L s = induttanza di una fase di statoe R 0 = esistenza associata alle pedite nel feo L M = induttanza di magnetizzazione R(s) = esistenza equivalente, si dimosta che appesenta il caico meccanico dovuto alla coppia esistente, non esiste in patica, ma è solo un atificio pe tenee conto in maniea semplice della potenza meccanica e s = foza conto elettomotice e = foza elettomotice R = esistenza di una fase di otoe L = induttanza di una fase di otoe Di fatto pe contollae il motoe con i metodi descitti nei capitoli successivi non è necessaio conoscee i valoi dei paameti al secondaio (è

Capitolo 1: Il motoe asincono sufficiente infatti conoscee i paameti di otoe ipotati a statoe), e nemmeno del appoto spie equivalente, e ci si accontenta dello schema elettico equivalente appesentato in Figua 1.3.. Le pove di caatteizzazione del motoe asincono pemettono di deteminae tutti i coefficienti che compaiono in questo cicuito equivalente. Figua 1.3. - Cicuito equivalente di una fase del motoe, le gandezze al cicuito secondaio (otoe) sono ipotate al pimaio (statoe). 1.4. Caatteizzazione del Motoe Asincono Caatteizzae il Motoe Asincono consiste nella deteminazione delle sue caatteistiche, ovveo dei paameti pesenti nel cicuito equivalente appena visto. È necessaio icavae questi dati pe ealizzae contolli di vaio tipo, come quelli descitti nei capitoli successivi. Pe caatteizzae il motoe asincono occoono 4 pove speimentali [7]: La pova a vuoto La pova in coto cicuito La misua delle esistenza degli avvolgimenti statoici La pova di diseccitazione

Capitolo 1: Il motoe asincono 3 1.4.1. La pova a vuoto La pova a vuoto è eseguita inseendo a monte del motoe due wattmeti secondo lo schema di collegamento Aon, ognuno fomato da un voltmeto ed un ampeometo. Si avvia quindi il motoe alimentandolo alla tensione e fequenza nominali lasciandolo giae a vuoto. L ampeometo fonisce la lettua della coente di fase e la somma (di fatto si faà la diffeenza delle due lettue peché l angolo di sfasamento ta coente e tensione φ saà sicuamente infeioe a 30 [1]) delle lettue dei due wattmeti fonisce la potenza attiva assobita a vuoto. Il fattoe di potenza (fasi collegate a stella, V f = tensione stellata) isulta: P0 cosϕ 0 = 3 V f I 0 Non essendoci caico si tascua la esistenza fittizia che lo appesenta (scoimento s 0) consideando un cicuito apeto. Il seno di φ è immediatamente deteminato, e si può calcolae la potenza appaente: Q0 = 3 V f I 0 senϕ = 3 X I 0 L induttanza di magnetizzazione è deteminata ipotizzando L M >>L s : Q0 L M = 3 p ω I Pe semplificae la pova a vuoto (in questo caso non sono necessai i wattmeti) è possibile tascuae con buon appossimazione anche esistenza e eattanza di statoe essendo molto bassa la coente che attavesa lo statoe; si considea in questo caso un coto cicuito come appesentato in Figua 1.4.1. La esistenza R a s ipotizza molto alta, I μ >>I a, quindi tutta la coente pecoee l induttanza di magnetizzazione. V f Z = p ω 0 LM I 0 Quindi l induttanza di magnetizzazione ha valoe: V f LM = p ω 0 0 I 0 0

4 Capitolo 1: Il motoe asincono Figua 1.4.1 - Cicuito equivalente semplificato di una fase del motoe duante il funzionamento a vuoto. 1.4.. La pova in coto cicuito La pova in coto cicuito è eseguita con la stumentazione sopa elencata, ma le misue devono essee svolte con il otoe bloccato pe impedigli di giae. Siccome la coente di coto cicuito I cc, che si ottiene applicando la tensione nominale, isulta eccessiva e non può essee soppotata a lungo dal motoe, la pova è eseguita a tensione idotta. La fequenza della pova deve essee quella nominale. All atto patico si applica pecisamente quella tensione V 1cc che occoe pe fae assobie al motoe col otoe bloccato la coente nominale di pieno caico I n [1]. La tensione da applicae è tipicamente dell odine del 15 30% di quella nominale. 1 s Quando il otoe è bloccato, s=1, la esistenza di caico R' ( s) = R' è s nulla, e l impedenza Z = R' + pω0l' isulta abbastanza bassa da consideae tascuabile la coente di magnetizzazione. I ami di R a ed M sono sostituiti peciò con dei cicuiti apeti.

Capitolo 1: Il motoe asincono 5 Figua 1.4. - Cicuito equivalente appossimato del motoe asincono duante la pova in coto-cicuito (a otoe bloccato). In Figua 1.4. è ipotato il cicuito equivalente pe la pova in coto. La potenza isultante, dalla somma delle lettue dei wattmeti, P cc coisponde essenzialmente alle pedite nel ame pe effetto Joule nello statoe e nel otoe. P ( ' ) cc = Rs + R I cc Da cui si icava: Pcc R cc = ( Rs + R' ) = I cc Oa tovando l impedenza, si calcola la eattanza V1 cc Z cc = e X cc = Z cc Rcc I cc Pe ottenee infine l induttanza X cc Lcc = Ls + L' = p ω0 Tipicamente pe tovae i valoi L s da L, ottenuta L cc, s impone quanto segue: Lcc L s = L' =.

6 Capitolo 1: Il motoe asincono 1.4.3. La misua della esistenza degli avvolgimenti di statoe Pe sepaae i contibuti di R s e R, si fa la misua della esistenza degli avvolgimenti di statoe con il metodo voltampeometico. Questa pova si compie in coente continua, pe consideae solamente le esistenze in luogo delle impedenze. Occoe fae pecoee gli avvolgimenti dalla coente nominale I ndc, e quindi si misua la tensione ai capi dei mosetti V DC. La esistenza dell avvolgimento di statoe vaà: VDC R s =. I ndc L appossimazione di questo metodo è data dal fatto che in ealtà la coente altenata, pe effetto pelle, tende a scoee soltanto nella peifeia della sezione tasvesale del conduttoe. La esistenza stimata con il metodo voltampeometico, ed usando coente continua, saà quindi sottostimata di qualche punto pecentuale. 1.4.4. La pova di diseccitazione Con la pova di diseccitazione si detemina la costante di tempo otoica L' τ =. Il motoe è alimentato a tensione nominale senza caico, ed è R' soggetto al flusso magnetico nominale. Togliendo istantaneamente l alimentazione, le f.e.m. sugli avvolgimenti non si annulleanno immediatamente, ma seguianno l andamento decescente del flusso magnetico. Questo diminuià con una dinamica legata alla costante di tempo otoica τ. Registando con un oscilloscopio l andamento della scaica delle f.e.m. è possibile tovae τ. Nel caso in cui la dinamica elettica fosse simile alla dinamica meccanica, la misua saebbe distubata, è possibile quindi applicae all albeo motoe un volano che diminuisce la deceleazione angolae. La dinamica elettica e quella meccanica divengono diffeenti di alcuni odini di gandezza, e peciò non sono più intefeenti.

Capitolo 1: Il motoe asincono 7 1.5. Espessione della Coppia e della Potenza nel Motoe Asincono Pe chiaezza si descive il bilancio di potenza ipotato in Figua 1.5.1. Figua 1.5.1- Schema appesentativo delle pedite di potenza nel motoe ad induzione. 1 = 3 V f I s cosϕ1 P P potenza assobita alla ete dal pimaio = R I potenze pese pe effetto Joule nel ame sullo statoe j1 3 s s PFe 3 V f I 0 cos 0 = P0 = ϕ le pedite a vuoto coincidono con le pedite nel feo 3 R I Ps = ω 0 C = potenza sincona, tasmessa attaveso il s campo magnetico dallo statoe al otoe P P = s P = R I pedite pe effetto Joule nel ame sul otoe j s 3 = ω C = 1 s P potenza meccanica totale M ( ) s P m potenza meccanica pesa pe attito sui cuscinetti e pe ventilazione P = ω C potenza esa, utile all albeo R R L espessione della coente in una fase del otoe è la seguente:

8 Capitolo 1: Il motoe asincono 0 X s R e s X s R e L p s R e I + = + = + = ω In Figua 1.5. è ipotato un andamento qualitativo della coente di otoe al vaiae della sua velocità angolae. Figua 1.5. - Andamento della coente otoica in funzione della velocità angolae. Unendo le definizioni delle potenze e l espessione della coente di otoe è possibile calcolae l espessione della coppia motice [8]: ( ) 0 0 0 3 1 1 3 1 3 M L p s R e s s R I R s s s I R s s P C ω ω ω ω ω + = = = = La seguente è un espessione igoosa: 0 0 3 1 L p s R e s R C ω ω + = Consideando la esistenza otoica ipotata al pimaio R R ', tascuando le pedite nel feo e quelle nel ame dello statoe (peché i paameti di esistenza e eattanza di otoe divengono pevalenti, quando taspotati allo statoe), si ottiene la seguente espessione semplificata:

Capitolo 1: Il motoe asincono 9 0 0 ' ' ' 3 f L p s R V R s C ω ω + = L espessione della potenza meccanica si icava oa facilmente come: ( ) 0 ' ' ' 1 3 f M L p s R V R s s P + = ω In figua Figua 1.5.3 sono appesentati gli andamenti qualitativi della coppia e della potenza in funzione della velocità angolae. Figua 1.5.3 - a) andamenti della coppia e della potenza meccanica a confonto pe un geneico motoe asincono. b) Cuva di coppia, confontata con tipiche coppie esistenti elative al pompaggio di fluidi. La zona del gafico di coppia con pendenza negativa è quella stabile, ed in questa zona di lavoo è indispensabile posi negli azionamenti in catena apeta.

Capitolo. Le tecniche più diffuse di contollo del Motoe Asincono Esistono vaie modalità pe effettuae il contollo della velocità di un motoe asincono. Alcune pemettono di fae funzionae il motoe con buon endimento solo in un piccolo campo di vaiazione della velocità, alte, invece, consentono escusioni di velocità più ampie. Nei paagafi successivi sono descitte le seguenti tecniche tadizionali di egolazione del motoe asincono: 1. Vaiazione della esistenza degli avvolgimenti otoici. Vaiazione del numeo di poli 3. Vaiazione dell ampiezza della tensione di alimentazione 4. Vaiazione della fequenza della tensione di alimentazione 5. Contollo di scoimento a coente impessa 6. Contollo ad oientamento di campo 7. Contollo pedittivo Le pime quatto modalità sono individuate con la dizione di contollo scalae, in quanto il dispositivo di contollo si limita a vaiae semplicemente l ampiezza della gandezze elettiche [9]. Le alte te modalità sono invece indicate con la nozione di contollo vettoiale in quanto il dispositivo di contollo detemina il valoe del modulo e della diezione del vettoe di

3 Capitolo : Le tecniche più diffuse di egolazione e contollo del Motoe Asincono tensione o di coente da applicae alla macchina o, equivalentemente, le sue componenti secondo un sistema di ifeimento oppotuno..1. I contolli scalai La (.1) evidenzia i paameti da cui dipende la velocità di otazione del motoe asincono. I vai metodi di contollo scalai agiscono divesamente su tali paameti. π f ω = ( 1 s) (.1) p Alcuni dei contolli scalai elencati in pecedenza sono apidamente caduti in disuso duante gli anni 80. Si tatta dei contolli a vaiazione della esistenza otoica ed a vaiazione della tensione di alimentazione, che egolano la velocità basandosi sullo scoimento s. I loo pincipali inconvenienti sono legati alla scasa efficienza elettica al di fuoi dalle condizioni nominali di funzionamento del motoe. L unico contollo che pemette di vaiae la velocità senza pedita di efficienza è la vaiazione del numeo di poli p secondo lo schema Dahlande, di cui si vede un esempio nella Figua.1.1. Questa tecnica di egolazione di velocità consente comunque di lavoae soltanto a due velocità di otazione fisse, e questo inconveniente ha eso obsoleta anche questa soluzione. L evoluzione della tecnologia e la diffusione della conoscenza hanno pemesso la diffusione dei cosiddetti invete commeciali pe contollo motoi (dispositivi costituiti da valvole elettoniche contollate, tipicamente di tipo MOS o IGBT). Questi sono basati pincipalmente su contolli scalai, ma a volte anche vettoiali, e nell ultimo ventennio hanno completamente soppiantato gli alti contolli scalai pemettendo di lavoae con buona efficienza pe un ampio ange di velocità di otazione. La possibilità di alimentae un caico tifase con una foma d onda a fequenza vaiabile ha apeto la stada all impiego del motoe asincono, come attuatoe a velocità vaiabile, in divesi campi applicativi, miglioandone l efficienza e la vesatilità.

Capitolo : Le tecniche più diffuse di egolazione e contollo del Motoe Asincono 33 Figua.1.1 - Rappesentazione di una fase di avvolgimento di statoe con connessione Dahlande che consente la commutazione da 4 ad 8 poli semplicemente cambiando le connessioni all esteno del motoe. P 1 /F 1 sono pincipio e fine di una pate di fase [1]..1.1. Il contollo V/f La elazione (.1) evidenzia la possibilità di vaiae la velocità agendo anche sulla fequenza f della tensione di alimentazione del motoe mediante un invete. Pe egolazioni di questo tipo non si necessita di otoi avvolti, e si impiegano otoi a gabbia aventi basso valoe di scoimento nominale ed elevato endimento. Pe pote ealizzae un buon azionamento occoe tenee conto delle seguenti consideazioni: 1) Il flusso al tafeo Φ deve essee mantenuto, pe quanto possibile al suo valoe nominale, in modo da consentie un ottimo sfuttamento magnetico della macchina; ) La coente assobita dal motoe non deve supeae il valoe nominale fissato dal costuttoe, pe non incoee in suiscaldamenti o sovadimensionamenti dell invete.

34 Capitolo : Le tecniche più diffuse di egolazione e contollo del Motoe Asincono Rifacendosi allo schema elettico equivalente con le gandezze ipotate allo statoe di Figua 1.3., è possibile notae che: pe V V nom la caduta di tensione sull impedenza di statoe è tascuabile, l induttanza di magnetizzazione L M è sottoposta alla tensione in ingesso ed il flusso può consideasi V V φ = K' I 0 = K' = K' ' da cui si vede che pe mantenee Z f M costante il flusso deve mantenesi il appoto ta tensione e fequenza V = K f. Pe V 0 si fanno sentie le cadute di tensione sulla esistenza di statoe, peciò non si può continuae a idue la tensione assieme alla fequenza, e si applica una funzione simile a quella di Figua.1.. V f Figua.1. Ampiezza della tensione di alimentazione al fine di mantenee il flusso costante. Alle basse tensioni occoe incementae il appoto V/f pe compensae le cadute di tensione statoiche legate alla coente magnetizzante del motoe. In Figua.1.3 sono mostate te divese zone di funzionamento al vaiae della fequenza di alimentazione:

Capitolo : Le tecniche più diffuse di egolazione e contollo del Motoe Asincono 35 1) Funzionamento a coppia costante: la coente di magnetizzazione si mantiene costante, e così pue la coppia, la potenza cesce lineamente. ) Funzionamento a potenza costante: la tensione non è più aumentata pe non danneggiae invete o motoe, o semplicemente peché non è disponibile tensione maggioe, la fequenza continua ad aumentae e la coente di magnetizzazione ed il flusso diminuiscono. La coppia diminuisce secondo un ipebole f 1, e la potenza si mantiene costante. 3) Funzionamento a potenza decescente: (detto anche a coente limitata): se la tensione si mantiene costante e la fequenza continua a cescee le eattanze del cicuito elettico del motoe si elevano talmente da impedie il passaggio della coente nominale anche negli avvolgimenti otoici. La potenza diminuisce secondo f 1, la coppia diminuisce secondo 1 ; si veda Figua.1.3. f

36 Capitolo : Le tecniche più diffuse di egolazione e contollo del Motoe Asincono Figua.1.3 - Andamento della coppia disponibile del motoe asincono alimentato con invete con contollo V/f [10]. Nella pima zona a coppia costante si mantengono flusso e coppia nominale, nella zona a potenza costante viene idotto il flusso, alle alte velocità angolai l elevata fequenza di alimentazione povoca la iduzione delle coenti, con conseguente più veloce decescita della coppia disponibile. Il contollo V/f offe sempe la massima coppia disponibile al vaiae della velocità (Figua.1.3). Infatti a fonte di un aumento del caico pesente, il motoe isponde aumentando lo scoimento, ovveo iducendo la velocità, la coente aumenta ed il caico è sostenuto. Il contollo V/f gazie a: la semplicità del suo algoitmo in quanto basta mantenee il appoto tensione fequenza, non ci sono etoazioni da gestie, né implementazione di modelli matematici la sua affidabilità in quanto funziona sempe, a tutte le velocità, nei limiti della coppia disponibile alle vaie fequenze di alimentazione

Capitolo : Le tecniche più diffuse di egolazione e contollo del Motoe Asincono 37 l indipendenza dalle vaiazioni dei paameti di motoe, in quanto non pesenta algoitmi di calcolo basati sui paameti elettici della macchina appesenta ad oggi la tecnica di contollo più utilizzata pe l azionamento di motoi asinconi, nonostante l ampia iceca degli ultimi decenni su temi elativi ai contolli vettoiali. L affidabilità e la ipetibilità delle pestazioni di un azionamento ivestono una caatteistica iinunciabile e di fondamentale impotanza sia in ambito industiale che, in paticolae, in applicazioni comuni di mass-maket come il caso degli elettodomestici (settoe del bianco). Questo contollo, d alto canto mosta limiti che fanno sì che pe alcune paticolai applicazioni, il V/f non sia la scelta miglioe. 1. L assenza di contollo sullo scoimento limita la pecisione di velocità, in quanto l eoe può aivae in condizioni nomali fino ad un 6 o 7%.. Se lo scoimento cesce olte quello di coppia massima il motoe si fema a causa del passaggio nella zona a funzionamento instabile appesentata in Figua 1.5.3 b). Pe la sua semplicità infatti questo algoitmo non pesenta vaiabili di contollo che pemettono di applicae egolatoi ed anelli in etoazione. 3. Alle bassissime velocità (genealmente sotto il 10% di quella nominale), non conoscendo i dati di esistenza statoica, non è gaantito il flusso nominale e quindi la massima coppia disponibile. 4. L assenza di un sistema in etoazione limita anche la dinamica del sistema, ovveo la capacità di inseguie un set point con apide vaiazioni di velocità. Infatti pe mantenee valoi bassi di scoimento chi pogamma l invete imposteà uno stingente ate limite sulla velocità, al fine di pemettee sempe l inseguimento del set point a basso scoimento, ma di conseguenza le acceleazioni saanno sempe lente. Pe soddisfae questo seppu piccolo sottoinsieme di casi in cui il contollo V/f dell asincono non iesce a fa fonte alle ichieste, sono stati studiati i contolli vettoiali, di cui il Contollo ad Oientamento di Campo è il

38 Capitolo : Le tecniche più diffuse di egolazione e contollo del Motoe Asincono capostipite, seguito dai contolli pedittivi. Il nuovo contollo ealizzato in occasione di questo lavoo, vuole unie le caatteistiche miglioi di queste due tipologie di contolli, ovveo la semplicità ealizzativa e l affidabilità del V/f insieme alle pefomance dei sistemi in etoazione... I contolli vettoiali Queste tecniche di egolazione pemettono di contollae il motoe asincono in coppia, ottenendo pestazioni poco infeioi a quelle dei modeni motoi bushless. Pe potee essee ealizzate ichiedono un oppotuno convetitoe elettonico di potenza, ed un modulo di contollo con un micocontolloe, che tipicamente contiene anche un unità DSP. Si sottolinea che il contollo V/f ichiede un hadwae simile a quello appena menzionato anche se la potenza di calcolo necessaia è infeioe. Il contollo di scoimento con alimentazione a coente impessa appesenta il più semplice appoccio al contollo vettoiale; infatti il dispositivo di contollo dell azionamento detemina i valoi desideati del modulo e della diezione del vettoe di coente [9]. Attualmente è stato paticamente soppiantato dalla tecnica nota come Contollo ad Oientamento di Campo (Field Oiented Contol, FOC), che in alcune ealizzazioni isulta di poco più complessa del contollo di scoimento, ed attualmente è la tecnica di contollo vettoiale più utilizzata. Lo studio della quinta tecnica di contollo è stato peciò omesso data anche la somiglianza con il FOC, e si imanda a testi specializzati come quelli ipotati in bibliogafia [9]. Il contollo ad oientamento di campo può essee di tipo: Indietto Dietto con: o Stimatoe di flusso con equazioni di statoe o Stimatoe di flusso con equazioni di otoe o Stimatoe di flusso dinamico

Capitolo : Le tecniche più diffuse di egolazione e contollo del Motoe Asincono 39 Il contolli di tipo pedittivo [11] al contaio del FOC, si popongono di calcolae le tensioni da applicae in funzione diettamente della coppia e del flusso ichiesti, senza passae attaveso le coenti. Questo pemette di aggiungee il punto di lavoo desideato in tempi molto bevi. Come si intuisce dal nome, sono caatteizzati dal contollo dietto della coppia senza passae pe il contollo della coente. I calcoli al fine di ottenee i vettoi di tensione da applicae al motoe sono basati sul cosiddetto modello inveso del motoe. I contolli pedittivi pincipali sono: Il contollo dietto di coppia DTC Il Dead-Beat DTC..1. Il contollo ad oientamento di campo indietto Il contollo ad oientamento di campo indietto è un metodo semplificato, ed è utilizzato nel caso si voglia utilizzae una potenzialità di calcolo infeioe al contollo ad oientamento di campo dietto. Si consideino le equazioni seguenti del flusso su assi d-q (asse d detto anche asse della coente di flusso i sd flusso, asse q detto anche asse della coente di coppia i sq ) oiginate dallo studio del modello dinamico del motoe asincono: d φ asse d 0 = φ LM isd + τ dt (.) asse q 0 = ( ω0 ω ) φ τ LM isq essendo: φ Vettoe del flusso di otoe τ Costante di tempo otoica ω0 Velocità di otazione di sinconismo ω Velocità di otazione effettiva isd Coente di statoe lungo l asse d

40 Capitolo : Le tecniche più diffuse di egolazione e contollo del Motoe Asincono isq Coente di statoe lungo l asse q LM Induttanza di magnetizzazione dalla pima delle (.) si ottiene: LM φ = isd (.3); 1 + s τ dalla seconda, sfuttando la definizione di velocità di scoimento ω s, si ha: 0 = ω φ τ L i s M sq da cui: LM isq ωs = (.4). φ τ Conoscendo i * sq (si utilizza il valoe imposto) e φ, si può ottenee ω s. Un semplice sensoe di velocità, pe esempio una dinamo tachimetica, può fonie il valoe di ω, ed ω 0 è facilmente deteminata: ω 0 = ω s + ω L angolo θ 0 col quale uota il sistema di ifeimento degli assi (d, q) può essee calcolato pe integazione della ω 0.

Capitolo : Le tecniche più diffuse di egolazione e contollo del Motoe Asincono 41 Figua..1 - Schema a blocchi del contollo ad oientamento di campo indietto. I blocchi A(θ) e B contengono delle matici, la pima è una matice di otazione da assi fissi ad assi otanti, la seconda è una matice di tasfomazione da sistema di ifeimento tifase a bifase. Questo metodo ha come inconveniente la sensibilità alle vaiazioni dei paameti L M e τ a seguito dei cambiamenti delle condizioni di lavoo (pincipalmente della tempeatua) o da divese caatteistiche dei motoi fabbicati. Inolte l utilizzo della i * sq (valoe imposto) invece del valoe i sq eale può potae ad eoi nella stima di ω s. Da un confonto fa questo contollo (Figua..1) e quello descitto nel possimo paagafo si isconta comunque una iduzione di onei computazionali pe l assenza dell ossevatoe di flusso.... Il contollo ad oientamento di campo dietto La pima impotante diffeenza che si vede mettendo a confonto lo schema a blocchi del contollo ad oientamento di campo indietto di Figua..1 con quello del contollo ad oientamento di campo dietto di Figua.. è l aggiunta di due moltiplicazioni maticiali. La diffeenza nella stima del flusso dipende invece dal tipo di stimatoe adottato con conseguente divesa accuatezza. Tuttavia come conseguenza dello sviluppo dei pocessoi digitali ci si è concentati maggiomente sul contollo ad

4 Capitolo : Le tecniche più diffuse di egolazione e contollo del Motoe Asincono oientamento di campo dietto con il quale si iescono ad ottenee pestazioni miglioi. Figua.. - Schema a blocchi del contollo ad oientamento di campo dietto. Sono pesenti due anelli di coente, uno pe ogni componente. Il blocco Flux Obseve, appesenta una pate consideevole degli onei computazionali complessivi. Questo contollo è caatteizzato dalla chiusua di quatto anelli (due pe le coenti, uno pe il flusso e uno pe la velocità) ognuno con il suo egolatoe, dando così molta stabilità al contollo. Il flusso viene stimato dalle coenti lette ed è quindi più affidabile ispetto al contollo indietto. Questo è un fatto fondamentale in quanto le pestazioni del contollo dipendono fotemente dalla stima del flusso. Le due componenti della coente di statoe, in quadatua ta loo, sono contollate indipendentemente l una dall alta tamite due contolloi PI (Popozionale Integale) sepaati, come si vede in Figua... Le uscite di questi contolloi sono ipotate in un sistema di ifeimento stazionaio mediante la matice di otazione tasposta, i due segnali così ottenuti non sono alto che le componenti (α, β) del vettoe di tensione da tasfomae in componenti (u, v, w) e da applicae allo statoe. I blocchi A e A T appesentano ispettivamente la matice di otazione dietta (tasfomata di Pak) e invesa, mente i blocchi B e B T indicano

Capitolo : Le tecniche più diffuse di egolazione e contollo del Motoe Asincono 43 ispettivamente le tasfomazioni tifase-bifase (tasfomata di Clake) e bifase-tifase. Il blocco Flux Obseve è fondamentale nel contollo a oientamento di campo, infatti, la tasfomazione da sistema di ifeimento stazionaio a otante, e vicevesa, necessita di un infomazione fondamentale: l angolo θ 0 (t) del sistema di ifeimento scelto. Ricodando che il vettoe flusso giace sull asse d del sistema di ifeimento otante l angolo θ 0 (t) saà la fase del vettoe flusso. Sfuttando le equazioni del modello dinamico del motoe a induzione si può icavae una stima del vettoe di flusso in modulo e fase, pocedendo alla misua di alcune gandezze, come tensioni e coenti di statoe e velocità di otazione. Come accennato all inizio del pesente capitolo lo stimatoe di flusso può essee basato su: equazioni di statoe equazioni di otoe modello misto (stimatoe di flusso dinamico) Il vettoe del flusso è una gandezza che pe motivi di costo e di paticità non può essee misuata. Pe questo motivo occoe ealizzae uno stimatoe. Si descivono nel seguito alcune tipologie di stimatoi in odine di complessità cescente. Lo stimatoe di flusso che sfutta le equazioni di statoe è basato sulla seguente elazione: dis Vs Rs is σ Ls φ dt = dt (.5) K dove: φ è il vettoe del fusso di otoe Vs è il vettoe delle tensioni di statoe (su assi α-β) i s è il vettoe delle coenti di statoe (su assi α-β) Rs è la esistenza di statoe

44 Capitolo : Le tecniche più diffuse di egolazione e contollo del Motoe Asincono Ls è l induttanza di statoe LM K = è il appoto ta l induttanza di magnetizzazione e L l induttanza di otoe σ = 1 K K è il coefficiente di dispesione totale, ovveo il s complemento a 1 del podotto dei appoti ta l induttanza di magnetizzazione e le induttanze di statoe e otoe Lo schema a blocchi di Figua..3 iassume il funzionamento dello stimatoe di flusso otoico basato su equazioni di statoe. Figua..3 - Schema a blocchi iassuntivo dell ossevatoe di flusso con equazioni di statoe. Lo stimatoe di flusso che sfutta equazioni di otoe è basato sulla seguente elazione: dφ 1 = { LM is + ( 1+ τ ω [ J ]) φ } (.5) dt τ dove: L τ = appesenta la costante di tempo otoica, come da R paagafo 1.4.4 J = J J = I [J] è una matice avente la seguente popietà [ ] [ ][ ] []

Capitolo : Le tecniche più diffuse di egolazione e contollo del Motoe Asincono 45 le alte gandezze coispondono a quelle elencate nella pagina pecedente. Lo schema a blocchi di Figua..4 iassume il funzionamento dello stimatoe di flusso otoico basato su equazioni di otoe. Figua..4 - Schema a blocchi iassuntivo dell ossevatoe di flusso con equazioni di otoe. Lo stimatoe di flusso basato su equazioni di statoe fonià una buona stima pe alti egimi di otazione. In questi casi le f.e.m sono elevate, quasi fino ad appossimae il vettoe delle tensioni V s. Il sistema isulteà meno sensibile agli eoi di misua sulle coenti, al umoe di fondo, ed all impecisione sulla conoscenza dei paameti del motoe. L equazione di statoe fonisce una stima impecisa di Φ alle basse velocità peché in questi casi il isultato dipende fotemente dalla conoscenza dei paameti inteni della macchina. La stima del flusso basata sull equazione di otoe (.5) è anch essa L sensibile alle vaiazioni paametiche peché τ = può cambiae al vaiae R di caico e velocità. Nemmeno questo stimatoe viene usato singolamente. Viste le limitazioni legate ai due metodi di stima del flusso, la scelta miglioe isiede nell utilizzo di un ossevatoe dinamico che sfutta entambe le equazioni. Ad esempio dall equazione di otoe si può ottenee una stima di Φ che sostituita all inteno dell equazione di statoe detemina

46 Capitolo : Le tecniche più diffuse di egolazione e contollo del Motoe Asincono un ulteioe stima di una gandezza che sia facilmente misuabile (ad es. V s ); cosi facendo si può calcolae l eoe fa la gandezza misuata e quella stimata ed utilizzae quest ultimo pe fae convegee la stima di Φ al valoe veo nell equazione di otoe (come schematizzato in Figua..5). Figua..5 - Schema a blocchi iassuntivo dello stimatoe dinamico di flusso otoico...3. Il contollo dietto di coppia DTC Il contollo dietto di coppia DTC [1] è stato concepito a metà degli anni 80 dai giapponesi Isao Takahashi e Toshihiko Noguchi (1986) [13] e dal tedesco Depenbock (1985) [14], [15].

Capitolo : Le tecniche più diffuse di egolazione e contollo del Motoe Asincono 47 Figua..6 - Schema a blocchi che descive il contollo dietto di coppia DTC. I blocchi che agiscono sugli eoi di flusso e di coppia sono satuatoi ad isteesi che hanno come uscita dei valoi disceti. La switching table dà il valoe dello stato di conduzione in funzione degli eoi e della posizione del flusso. Il DTC appatiene all insieme dei contolli pedittivi pe motoi asinconi ed è il più semplice di essi (Figua..6). I contolli pedittivi deteminano il vettoe di tensione da applicae al motoe sulla base dei set point di flusso e coppia senza svolgee il contollo di coente come visto pe il FOC. Infatti, il DTC non necessita di tasfomazioni tigonometiche, in quanto non pevede l impiego di una schematizzazione ad assi otanti, ed il suo unico egolatoe è indispensabile solo in caso di chiusua dell anello di velocità. La switching table detemina diettamente la configuazione dei sei inteuttoi dell invete tifase (si considei un invete a tensione impessa, VSI Voltage Souce Invete come quello di Figua 3.1.1) sulla base di te ingessi, che coispondono ad eoi discetizzati di coppia e flusso e diezione del flusso. Ulteioe semplificazione è data dal fatto che il DTC non ichiede popiamente l angolo del vettoe del flusso, ma semplicemente a quale dei 6 settoi angolai di 60 (angolo gio elettico 360 ) appatiene il flusso. Tale opeazione si può deteminae dal semplice confonto delle componenti di flusso tifase stimate, evitando di svolgee calcoli tigonometici. I pincipali svantaggi che tuttavia mantiene questa tecnica sono:

48 Capitolo : Le tecniche più diffuse di egolazione e contollo del Motoe Asincono La necessità di avee stimatoi di flusso e di coppia che intoducono eoi nelle funzioni di contollo L impecisione allo spunto ed alle basse velocità a causa della difficoltà (che sussiste come nel contollo vettoiale) ad avee una stima pecisa della posizione angolae del flusso L elevato ipple di coppia che causa umoe acustico [16] e la necessità di aumentae la fequenza di switching pe miglioae la situazione. Nel pesente capitolo i vai blocchi che compongono uno schema di contollo DTC sono stati bevemente intodotti; essi saanno tattati nel dettaglio nel capitolo 3 che descive un nuovo algoitmo di contollo basato su DTC...4. Il contollo del tipo DB-DTC Il contollo deadbeat è un algoitmo pedittivo a modello inveso utilizzato anche pe il contollo ad elevata dinamica del motoe asincono [17], [18]. Al contaio del FOC, calcola diettamente le tensioni in funzione della coppia e del flusso ichiesti senza passae attaveso il contollo delle coenti. Questo algoitmo pemette di aggiungee il punto di lavoo desideato in tempi molto bevi. Dalla Figua..7 si vede che le tensioni V d e V q sono calcolate con il modello inveso del motoe mostato in Figua..8.

Capitolo : Le tecniche più diffuse di egolazione e contollo del Motoe Asincono 49 Figua..7 - Schema a blocchi del contollo Deadbeat pe motoe asincono. Come pe il DTC, si adotta un solo egolatoe PI che in base all eoe di velocità detemina il set point di coppia. È da notae il fatto che in questa tipologia di contollo è necessaio conoscee sia il flusso di otoe che quello di statoe. Pe questo motivo non è sufficiente utilizzae l ossevatoe dinamico visto pe il FOC in Figua..5, ma è necessaio aggiungee una pate che, patendo dal flusso di otoe, calcola il flusso di statoe. In patica è sufficiente aggiungee la seguente equazione: L M Φ s = Ls σ is + Φ L

50 Capitolo : Le tecniche più diffuse di egolazione e contollo del Motoe Asincono Figua..8 Il blocco Deadbeat Contolle coisponde al modello inveso del motoe. In sostanza il Deadbeat-DTC ed il FOC hanno tutto sommato caatteistiche simili sia in temini di pestazioni ottenibili, sia di onei computazionali, sia di sensibilità nei confonti delle vaiazioni paametiche (come al solito queste ultime vanno ad influenzae la stima del flusso alle basse velocità) [19]. Diveso è invece il discoso pe il DTC che ispetto alle alte due tecniche appena citate, mosta alcune impotanti diffeenze miglioative in temini di semplificazione dell algoitmo ma peggioative in temini di ipple di coppia. Nel capitolo successivo veà poposta una nuova soluzione pe la iduzione del ipple di coppia e quindi della umoosità di funzionamento di un motoe asincono contollato con DTC.

Capitolo 3. Contollo dietto di coppia semplificato pe micocontolloi digitali Il contollo dietto di coppia pe motoi asinconi è una tecnica nota dagli anni 80 ad applicata ad invete commeciali pe il contollo motoi a patie dagli anni 90 (seie ACS600 uscita nel 95 dalla finlandese ABB). Fin dai pimi anni sono state pesentate in letteatua vaie implementazioni dell algoitmo. Le pime pubblicazioni scientifiche iguadano la teoia del contollo DTC nella sua vesione più semplice [13], alti successivi iguadano il deadbeat-dtc [11], [0], ed il DTC con logica fuzzy [1]. Esistono anche molte pubblicazioni di studi elativi all adozione di vai suppoti pe la ealizzazione del contollo DTC con elevata fequenza di commutazione. In questi casi si utilizzano DSP a vigola mobile [], e FPGA (Field Pogammable Gate Aays) [3], [4]. Infatti aumentando la fequenza di commutazione si iducono notevolmente il ipple di coente e di coppia e quindi la umoosità. Nella tattazione del pesente capitolo saà invece descitta una tecnica che pemette di idue la umoosità di funzionamento, mantenendo una fequenza di commutazione tipica (10 khz) ed avvalendosi di un comune ed economico DSP a vigola fissa pe contollo motoi.