Tecnica di controllo Volt su Hertz

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8.1     Introduzione

L’applicazione realizzata in questa tesi prevede di implementare un controllo di velocità utilizzando tecnica del Volt su Hertz (V/Hz).

A causa delle stringenti dotazioni hardware, il metodo in questione non è stato implementato con il metodo classico, ma con una particolare tecnica di parzializzazione che permette di regolare il valore efficace della tensione sul carico mediante parzializzazione dei segnali di pilotaggio inviati ai gate degli IGBT.

8.2     Il controllo V/Hz

In figura 1 è mostrata la caratteristica statica di un motore ad induzione. Tavv è la coppia offerta all’avviamento, mentre  Tmax è la coppia massima.

Si distinguono due tratti che corrispondono a condizioni di funzionamento stabili ed instabili. Una prerogativa fondamentale è quella di posizionarsi in un punto, individuato dall’equilibrio con la coppia di carico, che si trovi sul tratto stabile della caratteristica.

Il tratto stabile della caratteristica ha una pendenza elevata. Questo è un vantaggio per il controllo di velocità dato che il motore asincrono funzionerà ad una velocitàwm molto prossima a quella di sincronismo.

In corrispondenza della velocità di sincronismo la coppia offerta dal motore è nulla.

 

Caratteristica statica coppia velocità

Figura 1: Caratteristi statica coppia-velocità.

 

Si definisce scorrimento del motore (s):

 

  Scorrimento (1)
dove: frequenza di sincronismo (2)

 

Lo scorrimento vale qualche unità percentuale e rappresenta la velocità di scorrimento dell’avvolgimento di indotto rispetto al campo magnetico rotante. Esso è nullo al sincronismo ed unitario all’avviamento.

La figura, riferendosi al solo tratto stabile della caratteristica linearizzata, mostra come la caratteristica coppia-velocità venga traslata parallelamente a se stessa al variare della frequenza e come sia possibile variare la velocità sincrona di un motore ad induzione effettuando una regolazione sulla frequenza delle grandezze di alimentazione.

Il punto di funzionamento a cui si porta il motore è rappresentato dall’intersezione tra la coppia elettromagnetica e quella  di carico. È evidente come, variando la frequenza, tale punto di funzionamento si sposterà consentendo di realizzare una regolazione di velocità.

Mentre un motore sincrono si adegua alle variazioni della frequenza imposta, il motore ad induzione presenta una frequenza di scorrimento. Nei casi in cui si richiede una regolazione fine di velocità, come è richiesto nelle applicazioni dell’industria tessile, vengono utilizzati motori sincroni che si portano alla velocità di sincronismo indipendentemente dal valore della coppia di carico. Negli altri casi, quando si richiede un controllo più grossolano, come avviene nelle rettifiche di velocità o nella guida di particolari veicoli, vengono utilizzati i motori ad induzione.

 

Regolazione di velocità

 

Figura 2: Relazione tra la coppia e Fsl (slip) per diversi valori di frequenze.Il problema che si presenta realizzando un controllo in frequenza, è legato alla conseguente variazione di flusso che si manifesta a causa della relazione di proporzionalità che lega il flusso alla forza elettromotrice indotta negli avvolgimenti statorici:

 

  Flusso (3)

 

Supponiamo che il motore stia funzionando alle condizioni nominali. L’ultima relazione  mette in evidenza che, una riduzione della frequenza, determina un aumento del flusso.

L’aumento di flusso spinge il motore a funzionare in un punto della sua caratteristica di magnetizzazione caratterizzato da un maggiore livello di saturazione rispetto a quello che si aveva nelle condizioni di funzionamento nominale. Questo stato di funzionamento anomalo è causa di maggiori perdite e di elevate correnti di magnetizzazione.

Per risolvere questo inconveniente si dovrebbe realizzare una variazione di frequenza mantenendo il flusso costante.

La relazione 3 suggerisce che, un controllo a flusso costante, può essere realizzato variando, in modo proporzionale alla frequenza, anche la f.e.m.i. di statore (EMS).

Tuttavia questo approccio al problema non è conveniente dato che è difficile realizzare un controllo sul valore di EMS e si preferisce trascurare la caduta di tensione che si ha sugli avvolgimenti statorici  per porre:

 

  Tensione di statore (4)

 

Per questa considerazione si ha che, volendo diminuire la frequenza mantenendo il flusso costante, è necessario ridurre, in modo proporzionale, anche la tensione di alimentazione. Il limite di validità per questa approssimazione è legato alla caduta di tensione che si ha sulla resistenza degli avvolgimenti statorici. Infatti, mentre la caduta di tensione che si ha sull’induttanza di dispersione, variando in modo proporzionale alla frequenza () risulta sempre trascurabile rispetto a Ems , quella sulla resistenza resta sostanzialmente costante, e di peso sempre più rilevante, con il decrescere della frequenza.

La figura 3 mostra le conseguenze di questa approssimazione.  Si osserva che la caratteristica di Vs, che consente di realizzare il controllo a flusso costante, si discosta da quella  tratteggiata, ottenuta considerando valida l’approssimazione fatta anche per valori piccoli di frequenza. Affinché sia possibile realizzare una regolazione a flusso costante anche alle basse frequenze, è necessario considerare la presenza di un offset pari alla caduta di tensione sulla resistenza.

In modo analogo si ha che, durante una accelerazione, un aumento della frequenza imposto alle grandezze di statore, da luogo ad una riduzione del flusso. Questo fenomeno è inconveniente a causa dell’influenza negativa che ha sul valore della coppia elettromagnetica massima che il motore è in grado di produrre:

 

  Coppia massima (5)

 

Per quanto detto si deduce che è conveniente mantenere constante il flusso, ovvero il rapporto V/Hz da cui deriva il nome della tecnica di controllo, sia in fase di  accelerazione che in fase di decelerazione.

Il limite imposto, alla regolazione a  flusso costante, è dato dai problemi di isolamento. Infatti, raggiunta la tensione nominale, non è possibile aumentare ulteriormente il valore di Vs che deve essere necessariamente mantenuto costante. Un ulteriore aumento di frequenza, determina una riduzione di flusso che non può essere compensata dal proporzionale aumento della tensione di alimentazione.

Il motore continua ad accelerare ma il controllo viene realizzato a flusso indebolito e, di conseguenza, non avviene più a coppia costante.

In definitiva la caratteristica di regolazione tensione-frequenza assume l’andamento mostrato in figura 3.

 

Caratteristica della tensione di statore

Figura 3: Caratteristica della tensione di statore che consente di realizzare il controllo V/Hz

 


Generalmente si preferisce fissare un limite minimo per la frequenza imposta alle grandezze statoriche, sia per garantire che l’approssimazione espressa dalla 3 sia sufficientemente valida, sia perché non è conveniente realizzare un controllo V/Hz a velocità molto basse a causa dell’inefficiente effetto di raffreddamento che il motore realizza, mediante ventilazione, con il suo moto.

Caratteristica di controllo

Figura 4: Caratteristica di controllo

 

 

Nella pratica, per realizzare un controllo come quello appena descritto, è necessario utilizzare un convertitore di frequenza. Questo dispositivo, che funge da interfaccia tra la linea elettrica ed il motore, deve soddisfare i seguenti requisiti:

 

 

Per realizzare un convertitore di frequenza è possibile utilizzare la cascata tra due convertitori (fig. 5).

Il primo, convertitore lato rete, funziona da raddrizzatore mentre l'altro, convertitore lato carico, funge da inverter.

 

 

Convertitori connessi in cascata

Figura 5:Convertitori connessi in cascata.