Gli azionamenti dei motori

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.

2. 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).

4. I quadranti di un azionamento motore cc Freno meccanico/generatore elett. motore motore Freno meccanico/generatore elett.

6. Le varie fasi del movimento possono essere riassunte dallo schema seguente

7. Caratteristica del mat al variare di s

8. Per gli azionamenti di motori funzionanti in corrente alternata si avranno : • regolazione mediante reostato di avviamento e numero di poli ; • regolazione tramite controllo dell’ampiezza della tensione ; • regolazione tramite controllo della tensione e della frequenza.

9. 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

10. I dispositivi a semiconduttore sono utilizzati come interruttori I OFF I = 0 V I ON I > 0

11. Ordine di grandezza dei parametri elettrici Tensioni: kV Applicazioni di potenza Correnti: A - kA Potenze: kW - MW

12. Dispositivi elettronici di potenza • DIODI • SCR (Raddrizzatori Controllati al Si)* • SWITCH CONTROLLATI: - BJT - MOSFET - IGBT - GTO* (Gate Turn-Off) * SCR e GTO = TIRISTORI

13. IGBT • Transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) sono transistor BJT con in­tegrato uno stadio di comando a MOS. Sono pilotabili, quindi, in tensione. Hanno perdite di comando e frequenze operative intermedie tra MOSFET e BJT.

14. IGBT

15. CONFRONTO

16. Prestazioni limite dei vari componenti tiristori GTO MCT IGBT BJT sviluppo previsto per l’MCT MOSFET frequenza

17. Confronto tra dispositivi controllati Proprietà relative degli switch controllati

18. Gli inverter • 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.

19. INVERTER

20. Schema generale di un azionamento con motore elettrico Rete di alimentazione AC Convertitore AC/DC INVERTER MOTORE M CONTROLLO COMANDO

21. 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) AC/DC DC/AC DC/AC M M Fig. 2 Fig. 3

22. INVERTER

23. Raddrizzatore non controllato a ponte monofase Raddrizzatore a ponte monofase • Condensatore adeguato lato DC per filtraggio e accumulo energia

24. Analisi del raddrizzatore a ponte con induttanza non nulla lato AC A • Ip.: corrente d’uscita Id costante B

25. Raddrizzamento

26. FILTRAGGIO

28. CONVERTITORI AC-DC TRIFASI L1 L2 L3 T5 T1 T3 L R E T4 T6 T2 Impulsi ai gate

29. Per capire il funzionamento, si farà il caso semplice di un convertitore a ponte di SCR, con carico resistivo Vs = Vmax sin t id T1 T2 R vd vs T3 T4

30. 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! vd Variando l’angolo di innesco, la Vd si modifica e varia, di conseguenza, la tensione media sul carico (<Vd>). t =   = angolo di innesco Ig1 <Vd> = valor medio della Vd Ig2 <Vd> = Vmax (1+cos )/ Ig3 Ig4

31. <Vd> = Vmax (1+cos )/ • I valori medi dipendono da ; • La conduzione è discontinua per compreso fra 0 e ; • Conduzione discontinua = una coppia di SCR si spegne prima che si accende l’altra coppia di SCR.

32. Dimostrazione del valor medio

33. Principio di funzionamento di un INVERTER monofase Vi Vi R t 1 B A 2 Vi Vu Vu Fig. 1 t T

34. SIX STEP Il six-step, viene alimentato in corrente continua mediante raddrizzatore interposto tra il dispositivo stesso e la rete. il six-step è composto da 6 contatti statici chiamati switch, a seconda dell’ordine di chiusura e della loro frequenza generano onde quadre. Ogni colonna di switch viene chiamata "gamba di inverter" A seconda della sequenza di chiusura degli switch le tensioni UA, UB, UC, localizzate rispettivamente nei punti A, B, C, si posizioneranno sul "+" o sul "-" .

35. Schema a blocchi dell’INVERTER con controllo PWM Oscillatore Portante Alimentatore Oscillatore Modulante Vin Modulatore PWM Invertitore Vout Oscillatore modulante: fornisce al modulatore il riferimento di tensione sinusoidale con frequenza pari a quella desiderata in uscita; Portante: forma d’onda triangolare con fp >> fm; Modulatore: confronta istante per istante i valori del s.le modulante e di quello portante e invia il comando di commutazione dell’invertitore; Alimentatore: tensione costante.

36. PWM Gli inconvenienti presenti nel six-step vengono superati con gli inverter drive PWM.

37. PWM

38. PWM • Schema a blocchi inverter PWM

39. CONTROLLO SCALARE DEL M.A.T. CONTROLLO DELLA VELOVITA’ VOLT/HERTZ A CATENA CHIUSA V/Hz = il rapporto Vs/a, è costante. Dove: Vs = tensione statorica; a = pulsazione di alimentazione a Cm Accelerazione  Decelerazione a

40. Regolazione motori • La regolazione della velocità dei motori elettrici può essere ottenuta o impiegando motori in corrente continua regolando la tensione di armatura o di eccitazione(PWM), oppure impiegando motori in corrente alternata regolando la frequenza di alimentazione

41. Numero poli • Esistono dei motori asincroni che , per costruzione, possono funzionare a due diverse velocità. Questi motori hanno lo statore dotato di uno speciale avvolgimento che consente di eseguire il raddoppio del numero dei poli.

42. Regolazione tramite controllo dell’ampiezza della tensione. Nel motore asincrono la coppia è legata al quadrato della tensione di alimentazione : per questo motivo la variazione della tensione modifica l’ordinata della caratteristica meccanica, ma non il suo andamento. Le variazioni di tensione non esercitano alcuna influenza sulla velocità a vuoto:  le variazioni invece provocano un aumento dello scorrimento e una diminuzione della velocità quando il motore è sotto carico. Un tale sistema è quindi particolarmente adatto per ottenere delle piccole variazioni di velocità continue entro limiti dell’ordine del 10%.

43. Regolazione tramite controllo della tensione e della frequenza. La seguente relazione n = 60f/p • evidenzia la possibilità di variare la velocità agendo sulla frequenza f della tensione di alimentazione del motore. Per poter realizzare un buon azionamento occorre tener conto che : • il flusso al traferro deve essere mantenuto costante al suo valore nominale per un ottimo sfruttamento della macchina che deve erogare coppia costante ; • la corrente assorbita dalla macchina non deve superare il valore nominale per non incorrere a pericolosi surriscaldamenti

44. Funzionamento a coppia costante (flusso costante). • Ricordando che la coppia massima erogata dal motore è data dall’espressione : • considerando che X2(1)=2L2=s1 L2=2f1sL2 • esprimibile anche come

45. inoltre, nelle condizioni di funzionamento poichè s rimane costante, tale espressione può essere ricondotta al rapporto fra tensione e frequenza, come di seguito riportato : • TMax=k (U1N/f)2 • dove la costante vale

48. Unità N° 4 Applicazioni

49. Climatizzatori • Un INVERTER difficilmente può essere immaginato come parte integrante di un climatizzatore in quanto esso è già collegato alla normale rete di distribuzione dell'energia elettrica pertanto per comprendere bene lo scopo e le funzioni dei climatizzatori inverter è bene fare una piccola precisazione: nei climatizzatori in realtà il sistema "INVERTER" è composto da due componenti: un raddrizzatore di corrente e l'inverter vero e proprio. • Il raddrizzatore si occupa di trasformare la corrente alternata della rete elettrica in corrente continua che poi viene nuovamente trasformata in corrente alternata dall'inverter.