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 M o d u l o  6

La macchina a corrente continua


IL  MOTORE

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7_Funzionamento nei quattro quadranti della macchina con eccitazione separata

Il motore a corrente continua con eccitazione indipendente, come è stato detto in precedenza, è quello che ha avuto largo impiego nei controlli automatici, per la possibilità di intervento separato sulla tensione di alimentazione alle spazzole e sull’eccitazione.

Le considerazioni successive sono riferite dunque alla macchina con eccitazione indipendente, che si ritiene alimentata con polarità fissa N-S. Inoltre si supponga di non modificare nemmeno l’entità del flusso, per cui la macchina può lavorare sempre con coppia disponibile costante.

 

Figura 1) Funzionamento della macchina a C.C., con eccitazione separata, nei quattro quadranti.

 

Il grafico a quattro quadranti di fig.1 riporta sulle ordinate la coppia T prodotta e la corrente I assorbita dal motore, proporzionale alla coppia stessa (T=kΦI).

Sulle ascisse vi sono la tensione d’armatura U e la velocità angolare Ω ad essa proporzionale.

Nei quadranti in cui la macchina funziona come motore (I e III) sono positive la potenza elettrica assorbita e quella meccanica fornita all’albero.

Nei quadranti II e IV la macchina produce energia elettrica (dinamo) e quindi viene esercitata l’azione frenante conseguente alle polarità della reazione d’indotto: riceve potenza meccanica e genera potenza elettrica (la potenza ha segno negativo in questi due quadranti).

Se il motore si trova in equilibrio dinamico col proprio carico nel I quadrante e se viene fornita potenza meccanica all’albero in modo che la velocità cresca (treno in discesa), si passa al funzionamento a vuoto che avviene quando la caratteristica meccanica taglia l’ascissa (la velocità Ωo di fig.3 del §2). In questo istante la corrente si annulla e poi si inverte per velocità superiori: la macchina passa con continuità a funzionare come dinamo, con relativa azione frenante. Si sottolinea l’inversione della corrente, che risulta erogata sulla linea di alimentazione e la macchina fornisce quindi energia in rete.

Diversamente, con carico all’albero costante ed equilibrio nel punto 1 di fig.2, se si diminuisce bruscamente l’ampiezza della tensione di alimentazione del motore e, per comodità, potendo ritenere che a causa dell’inerzia la velocità sia momentaneamente costante, la macchina "vede" la caratteristica meccanica che compete alla nuova tensione U’ (fig.2). Di conseguenza, divenuta dinamo, inverte la corrente e l’effetto frenante porta alla riduzione graduale di velocità secondo le vicende definite dal percorso della nuova caratteristica meccanica. Il rallentamento porta la macchina a vuoto e poi alla nuova condizione di equilibrio nel I quadrante, nel punto 2. Il motore ruota ad una velocità inferiore Ω’, è alimentato ad una tensione inferiore, ma si trova nelle identiche condizioni di corrente e di coppia iniziali.

Questa operazione può avvenire quando l’alimentazione della macchina passa ad esempio attraverso due ponti di Graetz a tiristori, cioè quando si ha un convertitore bidirezionale che consente l’inversione della corrente e la restituzione d’energia in rete.

Figura 2) Variazione di velocità con brusca variazione della tensione, da U a U’. Le condizioni iniziale e finale di equilibrio sono indicate dai punti 1 e 2.

Analogamente accade per il motore che lavora nel III quadrante: sottoposto ad una rapida riduzione della tensione passa momentaneamente nel II quadrante come generatore e poi ritorna a velocità ridotta nel III.

Il senso di rotazione del motore del quadrante I si può invertire scambiando la polarità alle spazzole: inizialmente la macchina passa al funzionamento da dinamo, con modalità analoghe al caso precedentemente discusso. Successivamente, con la caratteristica meccanica che corrisponde alla nuova polarità, l’azione frenante porta all’arresto e poi all’inversione della rotazione, con passaggio definitivo al III quadrante.

 

 

8_Convertitori per azionamenti

Il convertitore che fornisce l’alimentazione al motore è di solito a ponte di Graetz trifase, a controllo totale mediante tiristori, oppure è un invertitore a ponte o a mezzo ponte con transistori. La tensione di alimentazione deve comunque essere variata come ampiezza e come polarità.

Per consentire l’inversione dell’energia e quindi la frenatura a recupero è necessario che si possa lavorare in tutti e quattro i quadranti di fig.1 e il convertitore deve essere bidirezionale e rigenerativo.

Ad esempio, per funzionamento unidirezionale e rigenerativo si intende che il convertitore consente un solo verso alla corrente, ma con possibilità di ricevere e restituire alla rete in corrente alternata l’energia. La bidirezionalità si riferisce alla possibilità di consentire l’inversione della corrente.

Il convertitore non rigenerativo non consente la reversibilità e quindi l’energia fluisce per esempio solo nel senso c.a. --> c.c.

Ad esempio, se un motore richiede un senso di marcia unico e non si vuole utilizzare la frenatura a recupero, si impiega un semplice convertitore unidirezionale che permette il funzionamento in un solo quadrante. Il passaggio dal I al III quadrante è consentito solo a motore fermo, quando si inverte la polarità alle spazzole del motore stesso.

Poiché i tiristori non possono funzionare con corrente in senso opposto a quello di conduzione, occorre talvolta sfruttare l’inversione della polarità della tensione e passare al funzionamento su due quadranti con un alimentatore rigenerativo. Infatti in un ponte controllato a tiristori, con carico induttivo, il ritardo d’innesco superiore a 90° porta ad una tensione media di segno opposto e la macchina può recuperare come dinamo e frenare a recupero. I quadranti interessati sono ad esempio il I e il II.

Nel motore per montacarichi, ad esempio, quando l’energia potenziale del carico trascina verso il basso, con velocità e coppia discordi, l’energia viene restituita dalla macchina alla rete: corrente d’indotto e flusso mantengono lo stesso verso, mentre cambiano la polarità della tensione e la rotazione. Il senso di rotazione è opposto a quello della salita, quando il funzionamento è solo da motore.

Nel caso di motore per trazione, diversamente, la discesa può portare l’albero a superare la velocità a vuoto, per cui la corrente si inverte nell’indotto e, come è già stato detto, deve invertirsi anche nel convertitore. Questo quindi deve essere di tipo rigenerativo, dovendo consentire il cambio di verso della corrente nel passaggio motore-generatore. Altrimenti non si può avere restituzione di energia in rete. Il funzionamento a due quadranti riguarda qui il I e il IV.

In alternativa ai tiristori vi è la soluzione, già accennata in precedenza, che riguarda l’utilizzo di rapidissimi interruttori elettronici che possono modificare sia l’ampiezza della tensione continua, sia il verso.

Ovviamente l’inversione della corrente può ottenersi, più semplicemente, mediante teleruttori.

Le inversioni di coppia e del senso di rotazione si possono controllare efficacemente e con elevati cambi di velocità nei quattro quadranti mediante una alimentazione ad esempio costituita da due convertitori distinti, a controllo totale, che rendono possibile lo scambio di energia lato c.a. <--> lato c.c. (fig. 3). Si sfrutta il fatto che con carico induttivo e ritardi d’innesco compresi fra 0° e 90° il valore medio della tensione decresce dal valor massimo positivo a valore nullo; per angoli d’innesco da 90° a 180° il valore medio ricresce per valori negativi.

I convertitori C1 e C 2 vengono abilitati separatamente, a seconda del senso di rotazione che deve possedere il motore. Il segnale di errore ε, prodotto dal confronto fra il segnale di riferimento di velocità e la velocità effettiva del motore, rilevata dalla dinamo tachimetrica DT, viene amplificato dal controllore A, che impone a sua volta, al generatore di impulsi G.I. dei gate degli SCR, la scelta del convertitore in base al senso di rotazione voluto. Il sistema consente anche la frenatura a recupero e quindi vi è la bidirezionalità offerta dai quattro quadranti, tutti sfruttabili. Le brusche variazioni di velocità ottenibili portano allo scambio di energia fra la linea trifase in c.a. e l’alimentazione in c.c.

L’elevata costante di tempo del circuito d’eccitazione rende meno usuale la regolazione della corrente stessa e l’impiego del controllo che agisce esclusivamente sul flusso, a meno che sia richiesta la variazione di velocità a potenza disponibile costante.

 

Figura 3) Principio del controllo di velocità di un motore a c.c. con eccitazione costante, mediante convertitore bidirezionale, nei quattro quadranti.

La presenza delle induttanze L1 e L2 ostacola sia le eventuali brusche variazioni della corrente conseguente a rapide variazioni della tensione, sia le variazioni della corrente circolante e della coppia, conseguenti alle deformazioni della forma d’onda create dai convertitori impiegati (sensibile è la presenza di armoniche di disturbo).

 

 

8.1 Ponti convertitori per motori a C.C. con eccitazione
          indipendente e costante

 

Tabella 1) Valori della tensione continua Ua in funzione dell'ampiezza  della tensione lato c.a.
                           e dell'angolo d'innesco

Tipo di convertitore

Ua Impiego Osservazioni
A una semionda P = 500 W Carico molto induttivo
con L in serie
Monofase semicontrollato 
(con 2 SCR)
P = 15 kW -
Monofase total controllato
(con 4 SCR)
P = 15 kW Lavora su 2 quadranti
(+Ua mot. e -Ua gen.)
Monofase Doppio
total controllato (bidirezionale)
con P = 15 kW Il convertitore 1 produce +Ua
Il convertitore 2 produce -Ua
Si usano 4 quadranti
Circuito molto induttivo, senza ripple
Trifase a semionda
(3 SCR)
P = 40 kW Lavora su 1 quadrante
La componente alternata è sovrapposta a quella continua (perciò scarso uso)
Trifase a ponte di Graetz total controllato (6 SCR) P = 1500 kW Lavora su 2 quadranti
(+Ua mot. e -Ua gen.)
Doppio trifase a ponte di Graetz total controllato (6+6 SCR) (bidirezionale)
con
P = 1500 kW Il convertitore 1 produce +Ua
Il convertitore 2 produce -Ua
Sono disponibili  4 quadranti
Circuito molto induttivo, senza ripple

 

 

9_ Confronto fra il motore a c.c. e il motore asincrono

Si sono esaminate in dettaglio, nel §2, le caratteristiche meccaniche del motore a corrente continua con eccitazione separata, al variare della tensione alle spazzole e del flusso. Esse evidenziano possibili regolazioni del tutto analoghe a quelle ottenibili con la macchina asincrona.

Come si può verificare nel modulo della macchina citata, al §23, nel funzionamento a coppia disponibile costante si variano proporzionalmente la tensione e la frequenza statoriche. Nel funzionamento a coppia disponibile costante si varia unicamente la frequenza. Il tratto utile delle caratteristiche della macchina asincrona ha un andamento molto simile a quello del motore a c.c. Quindi le possibilità di regolazione a coppia e a potenza costante sono perfettamente analoghe nelle due macchine.

Continuando il confronto fra le due macchine, a favore della macchina asincrona vi sono la robustezza, la semplicità costruttiva, rendimenti più elevati, l’assenza quasi totale di manutenzione. Contro vi è la complessità dell’elettronica che gestisce i controlli del convertitore.

Il motore asincrono, con l’avvolgimento percorso dalla corrente assorbita disposto sulla parte fissa, ha migliori possibilità di raffreddamento rispetto agli avvolgimenti indotti interni della macchina a c.c.

Il collettore e il fenomeno della commutazione presente nella macchina a corrente continua creano problemi pesanti di gestione, come ad esempio lo scintillio delle spazzole, problemi completamente assenti nell’asincrono. Il problema della commutazione vincola anche la massima corrente e la coppia disponibile; per contro la gabbia di scoiattolo dell’asincrono è robustissima, di semplice costruzione e richiede scarsa manutenzione. Inoltre la monoliticità della struttura rotante non richiede onerosi problemi di equilibratura.

I disturbi in rete prodotti dai convertitori ad SCR che alimentano i motori a c.c. richiedono costosi filtri per la loro riduzione, mentre il sistema PWM, usato per l’asincrono, oltre a consentire un altissimo fattore di potenza in rete, crea trascurabili disturbi. Inoltre, nelle variazioni di tensione con SCR, il fattore di potenza in rete dipende dai ritardi d’innesco degli impulsi applicati ai "gate" dei tiristori.

Il motore a corrente continua dispone di componenti collaudati dai lunghi anni d’impiego, con amplissime variazioni di velocità a partire da quelle bassissime, ma la complessità costruttiva, i costi della macchina e la richiesta di manutenzione sono elementi negativi che non ne favoriscono più un grande utilizzo, specie nei nuovi impianti.

In molte applicazioni si usano i motori "brushless", in cui l’eccitazione è prodotta da magneti permanenti e mediante il controllo dell’angolo di rotazione dell’albero si definisce e si regola il sistema di alimentazione. Rispetto al motore a corrente continua mancano le spazzole e il collettore; inoltre le dinamiche consentite sono molto elevate.

Sempre più diffuse sono invece le tecniche con inverter e modulazione PWM e i controlli a orientamento di campo. Quest’ultimo metodo offre ulteriori analogie con i controlli per un motore a c.c. ed eccitazione separata.

 


prof. Attilio Barra e-mail: elettrotecnica@barrascarpetta.org

prof. Antonio Scarpetta e-mail:  laboratorio@barrascarpetta.org

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