Blog della 4 Elettronici

Blog della Quarta Elettronici

28/04/2008

Circuiti switching e sicurezza elettrica

Mikhail A.

Domande su Circuiti Switching

1) Quali sono i vari circuiti switching?

2) Quali sono le loro principali applicazioni?

3) Come funziona un circuito step down?

4) In cosa si differenzia il circuito step up rispetto allo step down?

5) Com'è possibile isolare elettricamente la parte ad alta tensione da quella a bassa tensione?

6) In cosa si differenziano i convertitori flyback e forward?

7) Spiega brevemente il loro funzionamento.

8) Come funziona un inverter monofase?

9) Come funziona un inverter trifase?

10) Perchè è importante che ci sia una pausa di alcuni microsecondi tra i due semiperiodi del segnale alternato generato dall'inverter?

Domande su sicurezza elettrica

1) Quali sono gli effetti della corrente elettrica sul corpo umano?

2) A partire da quali valori essa diventa pericolosa?

3) Quali sono i percorsi più pericolosi della corrente all'interno del corpo umano?

4) Quali fattori influenzano la resistenza elettrica del corpo umano?

5) Quali sono le leggi che disciplinano l'installazione degli impianti e della apparecchiature elettriche?

6) Quali sono i modi per proteggere le persone dai contatti diretti?

7) E da quelli indiretti?

8) Cos'è il doppio isolamento?

9) Quali interventi è necessario eseguire in caso di persona folgorata dalla corrente?

10) Come va eseguita la respirazione artificiale?

Circuiti switching

1) Sono i circuiti step up, step down, i convertitori flyback e forward e gli inverter monofase e trifase.

2) Sono utilizzati principalmente come alimentatori, in grado di convertire una tensione continua in un'altra più alta (step up) o più bassa (step down), con isolamento tra primario e secondario nel caso dei convertitori flyback e forward, oppure per generare tensioni alternate a partire da tensioni continue, utile per esempio per alimentare con una batteria carichi che richiedano tensioni alternate: è il caso degli inverter mono e trifase.

3) Come mostrato in figura il circuito step down è costituito da schema 1

un transistor, un diodo e un'induttanza, oltre ad un circuito elettronico esterno col compito di commutare il transistor in on-off, operazione che viene svolta generalmente con una frequenza dell'ordine delle decine di kHz.

Durante la fase di conduzione del transistor, la corrente comincia a scorrere al carico attraverso l'induttanza, salendo esponenzialmente senza però raggiungere il suo valore massimo V₁/R a causa della brevità del periodo di conduzione del transistor rispetto alla costante di tempo τ del circuito R-L. Quando il transistor viene posto in interdizione, per il principio di continuità della corrente nei circuiti induttivi essa non può essare improvvisamente e quindi comincia a scendere scaricandosi a massa attraverso il diodo D, molto più lentamente di come sia salita, fino a quando il transistor non viene di nuovo posto in conduzione. Queste operazioni vengono quindi continuamente ripetute e la corrente sul carico si troverà ad oscillare (ripple) in modo trascurabile a causa dell'alta frequenza di commutazione attorno ad un valore medio I₂ = I₁/α, dove α è il duty cicle dell'onda quadra applicata alla base del transistor. Siccome, a causa del principio di conservazione dell'energia, V₁I₁=V₂I₂, si avrà che V₂ = αV₁. Il circuito step down può essere utilizzato anche per alimentare una batteria o un condensatore di grande capacità; in questo caso la corrente varia linearmente anziché esponenzialmente e il suo andamento dipende da quanto vale α rispetto ad α_c=V₂/V₁: se α > α_c la corrente aumenterà, in caso contrario diminuirà.

4) Il circuito step up utilizza gli stessi componenti dello step down disposti diversamente, come mostrato in figura. Anche questo circuito funziona grazie al principio di continuità della corrente nei circuiti magnetici e alla rapida commutazione del transistor, con l'unica differenza che in questo caso la corrente, essendo erogata attraverso il diodo nel semiperiodo in cui il transistor è spento, sarà minore della corrente assorbita dal primario e di conseguenza, per la formula V₁I₁=V₂I₂, la tensione V₂ = V₁/(1- α_c) sarà più alta di V₁. Anche in questo caso, se α > α_c il valore medio della corrente aumenterà, in caso contrario diminuirà.

5) Quando, per motivi di sicurezza, è richiesto che il primario sia elettricamente separato dal secondario, ad esempio in caso di alimentatori che convertano la tensione di rete 220 V AC in una bassa tensione DC, tra i due circuiti viene utilizzato un trasformatore che, lavorando a frequenze molto alte, presenta un numero di spire molto basso e quindi bassa resistenza elettrica. I circuiti switching che hanno questa caratteristica sono i convertitori flyback e forward.

6) Il convertitore forward si differenzia dal flyback per la maggiore complessità circuitale consistente in un trasformatore a tre avvolgimenti anziché due e nell'utilizzo di due diodi e un'induttanza nel secondario anziché un solo diodo.

7) Nel caso del flyback, dopo aver eventualmente raddrizzato la corrente alternata attraverso un ponte di diodi e un condensatore di grande capacità, questa viene inviata, ponendo il transistor in conduzione, ad un trasformatore avente poche spire data l'alta frequenza di lavoro e primario e secondario avvolti in modo opposto. Se durante la fase di conduzione del transistor tutta la corrente viene immagazzinata dall'avvolgimento secondario, durante la fase di interdizione essa viene trasferita al carico attraverso il diodo D₂ che entra in conduzione. L'energia viene quindi trasferita in due tempi: prima dal circuito primario al nucleo del trasformatore, poi da questo al circuito secondario. Come nei normali trasformatori valgono le relazioni I₂ = I₁m e V₂ = V₁/m, dove m è il rapporto tra il numero di spire del primario e quelle del secondario. schema 3

Se le potenze in gioco sono superiori ai 100 W, è necessario usare il circuito forward, che si differenzia dal primo per il fatto di possedere un trasformatore con 3 avvolgimenti di cui 2 avvolti in un senso e uno in quello opposto e un circuito secondario leggermente più complesso come mostrato nello schema. Durante il periodo di conduzione del transistor, la corrente I₁ viene immediatamente trasferita al circuito secondario in c schema 4

ui carica sia il condensatore C₂ che l'induttanza L. Invece, quando il transistor è posto in interdizione, la corrente accumulata nel circuito magnetico del trasformatore viene scaricata attraverso il terzo avvolgimento e il diodo D₃ in modo da evitare pericolosi picchi di tensione, mentre l'induttanza L continua a mantenere una corrente, seppur calante, nel condensatore C₂. Perchè la prima condizione sia sempre verificata, è necessario che T_on < T_off, e quindi che α<0,5. E' necessario inoltre che un circuito di regolazione impedisca la carica illimitata di C₂, che potrebbe danneggiare il condensatore stesso e tutto il circuito.

8) Come mostrato nello schema in basso, l'inverter monofase a “ponte ad H” è composto da 4 schema 5

transistor, altrettanti diodi e un trasformatore, al cui secondario è applicato il carico. Anche questo circuito funziona variando opportunamente le polarizzazioni dei transistor con un opportuno circuito elettronico di controllo, che lavorerà alla frequenza dell'onda sinusoidale che si vuole ottenere in uscita. Durante il primo semiperiodo attraverso i transistor T1 e T4 posti in conduzione viene applicata una tensione positiva al primario del trasformatore attraverso cui scorre una corrente crescente fino al momento in cui, dopo una pausa di alcuni microsecondi in cui tutti i transistor sono in interdizione, vengono posti in conduzione i transistor T2 e T3, che fanno sì che al trasformatore e quindi al carico venga applicata una tensione opposta alla precedente con una corrente che decresce fino al valore massimo raggiunto alla fine del primo semiperiodo. schema 6

9)
Il funzionamento dell'inverter trifase mostrato in figura è analogo a quello monofase, con la differenza che viene utilizzato un trasformatore trifase le cui fasi sono alimentate ognuna sfasata di 120° rispetto all'altra, come riassunto efficacemente dai diagrammi seguenti: schema 7

10) Perché è fondamentale che due transistor della stessa colonna conducano nello stesso momento, situazione che porterebbe allo sviluppo di una grandissima corrente che distruggerebbe il circuito. Durante questa pausa la corrente presente all'interno dell'induttanza si scarica attraverso due dei quattro diodi.

Sicurezza elettrica

1) Dato che l’organismo umano utilizza impulsi elettrici per controllare i muscoli, una corrente elettrica esterna interferisce con essi sovrapponendosi, fino a bloccarli se sufficientemente intensa. Ciò è particolarmente evidente in caso di tetanizzazione, ovvero lo stato in cui viene a trovarsi un muscolo che, a causa della corrente elettrica, non riesce più a rilassarsi e rimane contratto; questa è la causa del fatto che la vittima del contatto elettrico non riesce a staccarsene pur avendone la volontà, a meno che la corrente non sia stata talmente intensa da scagliarla lontana immediatamente, mentre se la tetanizzazione interessa i muscoli del diaframma si genera un processo di asfissia. Altro effetto causato dalla corrente elettrica è la fibrillazione, stato in cui può venirsi a trovare il cuore se attraversato da corrente elettrica in una particolare fase del suo ciclo in cui è elettricamente instabile e che lo porta a contrarsi in maniera disordinata annullando di fatto il suo ruolo di pompa sanguigna.

2) A partire da 50-70 mA in caso di corrente continua o da 10-16 mA per le correnti alternate, che sono quindi più pericolose perchè variando continuamente interferiscono maggiormente di quelle continue con gli impulsi elettrici fisiologici.

3) Per valutare gli effetti della corrente alternata nel corpo umano è stato introdotto il fattore di percorso F, proporzionale ai danni procurati all'organismo. I valori più alti si riscontrano nei percorsi mano sinistra-torace (1,5), mano destra-torace (1,3), mani-piedi, mano sinistra-piede sinistro, mano sinistra-piede destro, mano sinistra-piedi (tutti 1).

4) La resistenza elettrica del corpo umano è considerata in media pari a 3 kΩ, tuttavia è influenzata da diversi fattori: è più bassa (e quindi comporta maggiore pericolo) in caso di pelle umida e morbida, grande superficie, forte pressione e lunga durata del contatto con la parte in tensione.

5) In Italia è compito del CEI, Comitato Elettrotecnico Italiano, stilare le norme che riguardano apparecchiature e impianti elettrici ed elettronici. Le principali sono il D.P:R. n°547/1955 (Norme per la prevenzione degli infortuni sul lavoro), la legge n°186/1968 che disciplina la produzione di “materiali, apparecchiature, macchinari, installazioni e impianti elettrici ed elettronici” e le norme CEI 64.8 fasc. 1000 (Impianti elettrici utilizzatori) e 11-1 (Impianti di produzione, trasporto, distribuzione dell'energia elettrica. Norme generali.), integrate da ulteriori norme specifiche per ogni settore.

6) La protezione dai contatti diretti può essere ottenuta alimentando gli utilizzatori con bassissima tensione oppure ricoprendo con idoneo isolamento, racchiudendo dentro involucri (che assicura la protezione da ogni direzione) o proteggendo con barriere (che proteggono dalla direzione abituale di accesso all'apparecchiatura) le parti in tensione. In particolare, il grado di protezione di una barriera o di un involucro è contraddistinto dalle lettere IP seguite da 2 numeri che indicano rispettivamente il livello di protezione contro penetrazione di corpi estranei e di liquidi, secondo opportune tabelle redatte dal CEI:

7) Si ha un contatto indiretto quando una persona tocca una parte dell'apparecchiatura normalmente non in tensione ma che invece lo è a causa, per esempio, di un difetto di isolamento. Per proteggere gli utenti da questo rischio si utilizzano 3 sistemi principali: collegamento a terra della carcassa metallica dell'apparecchio, utilizzo di una carcassa non metallica o con doppio isolamento, alimentazione dell'apparecchio con tensione inferiore a 50 V. Nel primo caso è necessario inoltre munire l'impianto elettrico di interruttori magneto-termici in grado di rilevare correnti che superino un certo valore e differenziali, che si attivano quando la quota di corrente che non ritorna all'impianto elettrico attraverso il neutro supera una certa quota, in modo da interrompere nel più breve tempo possibile la fornitura di corrente elettrica all'impianto stesso in caso di contatto accidentale.

8) Il doppio isolamento è un altro sistema impiegato per ridurre al minimo il rischio di contatto indiretto e consiste in un isolamento supplementare dell'apparecchio elettrico o, in alternativa, di un isolamento rinforzato avente caratteristiche pari alla somma di due isolamenti separati. Gli apparecchi muniti di doppio isolamento sono detti di classe II e sono riconoscibili dall'apposito simbolo costituito da due quadrati uno dentro l'altro.

9) E' spesso fondamentale, per salvare la vita alla vittima, essere tempestivi nei soccorsi; occorre comunque prestare la massima attenzione per evitare ulteriori danni anche al soccorritore stesso. Per questo motivo è necessario, per prima cosa, togliere corrente all'apparecchiatura o all'impianto con cui è in contatto la vittima, o, in caso non sia possibile, staccare questa del contatto con l'aiuto di mezzi isolanti e asciutti (vestiti, corde, legno, guanti) oppure afferrando con molta attenzione i vestiti della vittima se si è sufficientemente isolati coi piedi. Subito dopo, è necessario distendere la vittima liberandolo da cinture, cravatte e in generale qualsiasi cosa impedisca o ostacoli la respirazione, aprirle la bocca premendo sul mento nel caso sia bloccata e iniziare subito la respirazione artificiale, mentre qualcun altro chiama i soccorsi. E' importante infatti non attendere l'arrivo dei medici e iniziare subito la respirazione artificiale e il massaggio cardiaco, poiché ogni minuto è prezioso per salvare la vita alla vittima. E' altresì fondamentale non desistere dalla respirazione artificiale e continuare il più a lungo possibile, poiché l'infortunato più ancora risvegliarsi anche dopo diverse ore dall'elettroshock.

10) Siccome la respirazione bocca a bocca è il metodo più efficace, è consigliabile avere sempre sul luogo di lavoro alcuni boccagli, che permettono di evitare il contagio tra soccorritore e vittima di malattie quali epatiti virali o AIDS. Applicato il boccaglio, se disponibile, il soccorritore deve distendere la vittima sul dorso possibilmente su una coperta o un materiale simile, rimuovere eventuali corpi estranei nella cavità orale, reclinare indietro la testa del paziente mettendole una mano sotto la nuca e l'altra alla sommità del capo. Dopo aver posizionato la testa della vittima, è necessario tapparle le narici in modo che l'aria insufflata non esca immediatamente, fare una profonda inspirazione e applicare la bocca, anche attraverso un fazzoletto, su quella del paziente esercitando una pressione costante in modo da impedire all'aria di uscire da eventuali fessure, dopodiché soffiare con energia in modo che l'aria entri nei polmoni della vittima, che devono immediatamente gonfiarsi. Nel caso ciò non avvenga, girare la vittima su un fianco e tentare di rimuovere un eventuale ostruzione delle vie respiratorie battendo alcuni colpi fra le spalle. E' necessario quindi staccare la bocca da quella del paziente e rilasciare la pressione sulle narici, in modo che l'aria fuoriesca naturalmente dai suoi polmoni. Questo ciclo deve quindi essere ripetuto circa 12 volte al minuto per gli adulti, 15 per i bambini e 20 per i neonati. La respirazione bocca a bocca può essere sostituita da quella con soffietto in caso fosse disponibile. Anche in questo caso è necessario che il soffietto aderisca il meglio possibile alla bocca del paziente in modo da evitare perdite di aria.

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28/04/2008

Circuiti Switching

Enrico M. - Luca T.

Circuiti Switching

La trasformazione dell’energia elettrica in corrente continua, da un livello di tensione ad un altro, è possibile mediante l’utilizzo dei convertitori di tipo DC/DC.

I convertitori DC/DC possono essere provvisti di una trasformatore oppure esserne sprovvisti.

Tra i convertitori senza trasformatore possiamo considerare tre schemi differenti:

STEP DOWN: fornisce una tensione in uscita inferiore a quella d’ingresso, ed è composto essenzialmente da un transistor, un diodo, un ricircolo e un induttore.

STEP UP: fornisce una tensione in uscita superiore a quella d’ingresso, ed è composto dagli stessi elementi dello step down ma disposti differentemente.

BIDIREZIONALI: esercitano un trasferimento d’energia tra due reti aventi diverso livello di tensione. Esso è composto da due transistori di commutazione, due diodi di ricircolo e un induttore.

Al contrario nei convertitori che possiedono un trasformatore, possiamo rintracciare due distinte categorie:

FLYBACK: trasferisce energia al secondario durante la fase off del transistor di commutazione. Il suo schema è abbastanza semplice, ma può essere solamente impiegato per potenze inferiori ai 100W.

FORWARD: trasferisce energia al secondario durante la fase on del transistore di commutazione. Il suo schema è più complesso, ma può essere impiegato con potenze superiori e può funzionare, a parità di potenza con un transistor di dimensioni ridotte.

La conversione di una tensione continua in una tensione alternata è solitamente effettuata per mezzo dell’inverter. Anche in questo caso il dispositivo sopraccitato può essere di due tipi: monofase e trifase.

Schema di Principio dell’inverter monofase:

Schema di principio dell’inverter trifase:

1) Come possiamo aumentare il livello di una tensione?

2) Quali sono i diversi schemi dei circuiti switching senza trasformatore?

3) Quali sono i diversi schemi dei circuiti switching con trasformatore?

4) Spiega lo Step Down

5) Spiega lo Step Up

6) Spiega il funzionamento dei Bidirezionali

7) Descrivi lo schema Flyback

8) Come funziona in Forward

9) Fai un esempio di inverter monofase

10) Fai un esempio di inverter trifase

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14/04/2008

Motori Step - Davide N. Marco J.

LAVORO:Marco J. Davide N.

Domande motori step: Valle principale Pont-Saint-Martin e Donnas

1. Logica di pilotaggio dei motori step e caratteristiche?

2. Cos’ è il pilotaggio bipolare ?

3. Cos’ è il pilotaggio unipolare ?

4. Schema di pilotaggio del motore unipolare?

5. Cos ‘è la frequenza di passo del motore step?

6. Quanto vale la velocità angolare del motore ?

7. Com’è definita la durata di un ciclo?

8. Come è fatto un motore unipolare?

9. Come è fatto un motore bipolare?

10. Che differenza c’è tra i due motori?

Risposte alle domande sui motori step:

1-I circuiti di pilotaggio del motore step ricevono comandi a livello logico che definiscono la sequenza delle configurazioni e forniscono alle bobine del motore le stesse configurazioni con potenza adeguata.

Il motore passo passo ha una serie di caratteristiche interessanti:

* E' possibile realizzare azionamenti di precisione controllati da computer in catena aperta, cioè senza utilizzare sensori di posizione o di velocità. I circuiti possono essere relativamente semplici sia dal punto di vista realizzativo che progettuale e non è richiesta particolare potenza di calcolo al controllore

* Hanno un'elevata robustezza meccanica ed elettrica: infatti non esistono contatti elettrici striscianti e, se necessario, possono essere realizzati anche in esecuzione completamente stagna

* E' facile far compiere all'albero piccole rotazioni angolari arbitrarie in ambedue i versi e bloccarlo in una determinata posizione

* La velocità di rotazione può essere molto bassa anche senza l'uso di riduttori meccanici

Ovviamente hanno anche difetti:

* Richiedono sempre circuiti elettronici per il pilotaggio cioè non possono essere alimentati direttamente da una batteria o un trasformatore

* Hanno un funzionamento a scatti e e spesso producono forti vibrazioni, soprattutto ai bassi regimi di rotazione e quanto si adottano le tecniche di pilotaggio più semplici

* Il loro rendimento energetico è basso e, in genere, la coppia, la velocità e di conseguenza la potenza meccanica sono piccole

* Hanno un costo elevato, relativamente ad altri tipi di motore con analoghe prestazioni

* Raggiungono velocità di rotazione non particolarmente elevate

2-Per pilotaggio bipolare sono necessari quattro transitori per fase, dimensionati per condurre la corrente di fase e sostenere la tensione di alimentazione.

3-Per pilotaggio unipolare sono necessari due transitori per fase dimensionati per condurre la corrente di fase e sostenere una tensione tripla della tensione di alimentazione.

Pilotaggio dei motori unipolari

Qui sopra ho rappresentato lo schema del collegamento elettrico di un motore unipolare; nel caso rappresentato ho usato un motore a 6 fili ma se fossero solo cinque, semplicemente significa che la connessione che nello schema ho fatto esternamente in corrispondenza della tensione di alimentazione è interna al motore. Se fossero otto significa che esce una coppia di fili per ciascuna fase e che quindi tutti i collegamenti devo essere effettuati esternamente.

Senza alimentazione il motore ruota liberamente anche se, provando a far girare l'albero a mano, si nota un certo funzionamento a scatti.

Facendo passare corrente in una sola delle fasi il motore rimane bloccato in una posizione di equilibrio: in questo modo il motore offre una notevole coppia che si oppone a qualunque spostamento. La rotazione è ottenuta cambiando in opportuna sequenza la fase (o le fasi) a cui la corrente è applica; la corrente che deve attraversare una fase è costante sia in modulo che in verso e viene indicata come corrente nominale. In genere è indicata sul contenitore del motore; in alternativa possiamo trovare indicata la resistenza degli avvolgimenti e la tensione di alimentazione.

5-La frequenza di passo rappresenta il numero di passi eseguiti in un secondo e si misura in step/secondo.

FORMULA: fp=1/Tp

6-La velocita angolare di motore a passo è ottenuta variando il tempo di passo Tp secondo la relazione ω=2π*fp/s =2π/Tp*s

dove s è il numero di passi al giro ed fp/s il numero di giri al secondo

7-Si definisce durata di un ciclo Tc il tempo necessario a compiere l'intera sequenza delle configurazioni

Tc =Z*Tp

8-Il motore unipolare ha due bobine per fase accoppiate. le due bobine vengono alimentate alternativamente con una corrente unidirezionale

9-Il motore bipolare ha una bobina per fase.Ciascuna bobina viene alimentata nei due sensi per mezzo di un circuito ponte.

10-Nel motore bipolare lavora tutto il rame della bobina mentre nell'unipolare ciascuna configurazione impegna solamente la metà del rame. A parità di coppia il motore unipolare dissipa una quantità di calore doppia.A parità di calore dissipato, la coppia risulta il 70% di quella bipolare.

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categoria: 170 motori step

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14/04/2008

PILOTAGGIO DEL MOTORE

PILOTAGGIO DEL MOTORE
STEP

Secondo o schema a blocchi a), illustrato nella pagina successiva un microprocessore presenta in uscita quattro segnali logici che comandano le commutazioni A, B, Aneg, Bneg. Mentre lo schema b), sempre illustrato nella pagina successiva la stessa funzione che viene svolta da un multivibratore associato ad un traslatore: ad ogni periodo Tp del multivibratore, il traslatore realizza in uscita una nuova configurazione.
Il commutatore di potenza ha il compito di alimentare le fasi del motore con la sequenza imposta: esso riceve in ingresso la sequenza delle configurazioni sotto forma di segnali logici e per mezzo dei suoi circuiti di pilotaggio fornisce in uscita le stesse configurazioni con livelli di tensione e di corrente adeguati all’azionamento del motore.

Schema_a_blocchi

Figura 1 Schema a blocchi di un azionamento per motore step e sequenza dei comandi logici: a) schema a blocchi con microprocessore; b) schema a blocchi con oscillatore e traslatore; c) sequenza dei comandi logici, comportamento delle porte e del clock.

Si definisce frequenza di passo fp il numero di passi eseguiti in un secondo e periodo di passo Tp la durata di un passo, che coincide con il tempo di clock. Durante il tempo Tp il motore effettua un passo, percorrendo l’angolo γ.

Si definisce durata di un ciclo Tc il tempo necessario per completare un ciclo, nel quale viene completata la sequenza delle Z commutazioni. Durante l’intervallo di tempo Tc il motore effettua Z passi, percorrendo l’angolo α.

Valgono le relazioni:

Il tempo tra due commutazioni successive nella stessa fase è pari a 2Tp.
La regolazione della velocità angolare di un motore a passo è ottenuta variando il tempo di passo Tp, secondo la relazione.

Dove S rappresenta il numero di passi al giro, ed fp/S il numero di giri al secondo. Volendo esprimere la velocità in giri al minuto si ricava la relazione:

Pilotaggio unipolare e bipolare.

Vi sono due tipi di pilotaggio e sono, il bipolare e l’unipolare.

Il motore bipolare ha due bobine, una bobina per fase, le quale non hanno punti comuni, presentano quattro morsetti esterni. Il circuito di pilotaggio viene alimentato con un generatore di tensione, ogni fase è collegata a quattro transistori in una configurazione detta a ponte o a H.

Figura 2 Motore step bipolare

Per pilotaggio bipolare sono necessari quattro transistori per fase, dimensionati per condurre la corrente di fase e sostenere la tensione V di alimentazione.

Il motore unipolare ogni fase è sdoppiata in due bobine con un punto in comune per minimizzare i flussi dispersi e collegate in senso opposto; il motore presenta sei morsetti versi l’esterno; spesso quelli centrali sono collegati insieme riducendo a cinque morsetti il numero totale dei morsetti.

Figura 3 Motore step unipolare

Per il pilotaggio unipolare sono necessari due transistori per fase, dimensionati per condurre la corrente di fase e sostenere una tensione tripla della tensione di alimentazione.

Si può affermare che nel motore bipolare lavora tutto il rame della bobina, mentre nell’unipolare ciascuna configurazione impegna solamente la metà del rame. A parità di copia il motore unipolare dissipa una quantità di calore doppia. A parità di calore dissipato, la coppia risulta il 70% di quella bipolare.

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14/04/2008

MOTORI STEP

Alessandro L, Fabrizio E.

I MOTORI STEP

Il simbolo del motore passo passo ricorda l'esempio: i terminali A+A- alimentano i solenoidi verticali, mentre B+B- alimentano quelli orizzontali. Questi motori si chiamano bipolari, perchè per pilotarli bisogna invertire la polarità delle tensioni ai loro capi.

I motori bipolari si riconoscono perchè hanno 4 fili.

Con un tester possiamo separare l'avvolgimento A da quello B verificando la continuità elettrica.

Non è importante sapere quale filo sia il + e quale il -, invertendoli il motore funziona ugualmente anche se gira al contrario.

Dove vengono utilizzati:

I motori step vengono utilizzati in tutte le applicazioni dove sono richiesti posizionamenti veloci e precisi: ad esempio nella robotica, nelle stamanti e macchine per scrivere, nelle autovetture più recenti ed in numerosi altri automatismi. Per questa ragione, hanno una diffusione vastissima.

I motori step posseggono la caratteristica di compiere, ad ogni comando, una ben precisa rotazione angolare, detta Passo.

Come funzionano:

I motori passo-passo sono motori che, a differenza di tutti gli altri, hanno come scopo quello di mantenere fermo l'albero in una posizione di equilibrio: se alimentati si limitano infatti a bloccarsi in una ben precisa posizione angolare.

Solo indirettamente è possibile ottenerne la rotazione: occorre inviare al motore una serie di impulsi di corrente, secondo un'opportuna sequenza, in modo tale da far spostare, per scatti successivi, la posizione di equilibrio.

È così possibile far ruotare l'albero nella posizione e alla velocità voluta semplicemente contando gli impulsi ed impostando la loro frequenza, visto che le posizioni di equilibrio dell'albero sono determinate meccanicamente con estrema precisione

Coppia di mantenimento:

La coppia di mantenimento( Holding Torque, H.T.) si misura alimentando il motore a DC in una data configurazione. Essa rappresenta la massima coppia che il motore può sviluppare in condizioni statiche. Essa può essere definita con una sola fase eccitata, o con due fasi eccitate contemporaneamente. Nel secondo caso, a parità di corrente per fase, ed in assenza di saturazione, la coppia di mantenimento viene moltiplicata per √2.

Coppia Residua:

La coppia residua( Detent Torque, D.T.) viene misurata come la H.T. ma senza alcuna corrente nelle bobine. Essa è normalmente compresa tra il 5% e il 20% dell’ H.T.

Il valore di componente continua della D.T. fornisce la coppia di attrito nel motore.

I cambi di velocità:

Il motore passo-passo soffre di diversi problemi nel momento in cui viene effettuato il cambio di velocità, a causa del suo principio di funzionamento che lo fa assomigliare ad un motore sincrono.

Infatti tutti i dispositivi meccanici, a causa dell'inerzia, non possono subire accelerazioni troppo brusche. Un classico motore elettrico reagisce alla richiesta di improvviso aumento di velocità con un momentaneo aumento dell'assorbimento di corrente ed un graduale e relativamente lento aumento di velocità. Nel momento in cui improvvisamente cambia la frequenza in ingresso al dispositivo di pilotaggio del motore passo-passo, lo stepper tenta di adeguarsi (quasi) istantaneamente alla nuova velocità: se la coppia disponibile è sufficiente vi è una brusca accelerazione, praticamente istantanea; se la coppia non basta a vincere l'inerzia e gli attriti, semplicemente il motore si ferma e, senza un intervento esterno, non è più in grado di ripartire: si dice che il motore "ha perso il passo".

Questo comportamento deriva dal fatto che la velocità del motore è rigidamente controllata dall'elettronica e che la corrente assorbita è fissa e praticamente indipendente dalla coppia meccanica resistente.

Una simile reazione vi è anche nel caso di applicazione di una improvvisa coppia resistente al motore già in moto. Un motore DC, per esempio, semplicemente rallenta per adeguarsi alla nuova situazione ed aumenta l'assorbimento di corrente. Uno stepper invece non può rallentare: se la coppia resistente è relativamente piccola, la velocità non cambia assolutamente; se la coppia è troppo grande, il motore perde il passo e si ferma.

Questo comportamento è descritto dal seguente grafico con il legame tra coppia e velocità.

Una curva identifica l'area, disegnata in verde, entro cui il motore può subire cambi di velocità e inversioni di marcia senza precauzioni particolari: è sufficiente cambiare la frequenza con cui sono applicate le correnti alle fasi. E' in genere indicata come curva di pull-in

La zona indicata in rosso e chiamata slew-range può essere attraversata solo a condizione di evitare bruschi cambiamenti di velocità. Il cambiamento di frequenza deve quindi essere continuo e tanto più lento quanto più ci si allontana dalla curva di pull-in.

La curva di pull-out indica quale è la massima coppia resistente che può essere applicata al motore in rotazione ad una data velocità costante senza causare il blocco. In pratica rappresenta le massime prestazioni del motore.

Il grafico rappresentato dipende non solo dal motore ma anche dai dispositivi meccanici ad esso collegati (un aumento del momento di inerzia del carico causa un restringimento dell'area di pull-in) e dal tipo di pilotaggio (una migliore gestione delle correnti aumenta entrambe le curve, soprattutto alle velocità più elevate).

Nella pratica la documentazione relativa a tali curve non è sempre disponibile per lo specifico motore in uso ma possono servire come riferimento nel progetto del software di controllo del motore: per esempio è opportuno accelerare il motore con una rampa al fine di portalo alle velocità più elevate.

In applicazioni critiche è possibile utilizzare un sensore di velocità per riconoscere l'eventuale blocco del motore ma più spesso si preferisce ignorare il problema ed, eventualmente, abbondare un poco nel dimensionamento del motore.

La risonanza

Nel grafico precedente il legame tra coppia e velocità è rappresentato da una curva sostanzialmente regolare. Nella realtà tale curva è invece molto frastagliata: il grafico seguente è relativo ad un particolare modello commerciale ed illustra l'andamento della curva di pull-out in assenza di carico e con un pilotaggio a passo intero e a mezzo passo.

Si noti come, soprattutto nel funzionamento a passo intero, la coppia subisca marcate diminuzioni in corrispondenza di frequenze medio-basse; in particolare possono essere presenti alcuni punti in cui la coppia subisce una diminuzione tale che il motore, spontaneamente, si ferma.

Queste velocità vengono chiamate frequenze di risonanza anche se alcuni autori ritengono il termine errato, forse perché vogliono sottolineare il fatto che non si tratta di un fenomeno elettrico ma meccanico.

Purtroppo tali punti non sono facilmente prevedibili in quanto dipendono dal motore, dal tipo di pilotaggio e dal carico; inoltre si presentano in modo del tutto imprevisto: è per esempio possibile avere motori che funzionano perfettamente per qualunque velocità da 0 a 60 e da 70 a 1000 giri al minuto ma che a 65 giri al minuto si bloccano…

In genere un sintomo dell'avvicinarsi della risonanza è il rumore forte ed irregolare che il motore emette, chiaramente diverso dal fischio piuttosto continuo che emette in condizioni di normale funzionamento.

I vantaggi dei motori step:

E' possibile realizzare azionamenti di precisione controllati da computer in catena aperta, cioè senza utilizzare sensori di posizione o di velocità sono quindi utilizzabili con relativa semplicità e senza richiedere particolare potenza di calcolo.

Hanno un'elevata robustezza meccanica ed elettrica: infatti non esistono contatti elettrici striscianti e, se necessario, possono essere realizzati anche in esecuzione completamente stagna.

E' facile far compiere all'albero piccole rotazioni angolari arbitrarie in ambedue i versi e bloccarlo in una determinata posizione.

La velocità di rotazione può essere molto bassa anche senza l'uso di riduttori meccanici.

I Difetti dei motori step:

Richiedono sempre circuiti elettronici per il pilotaggio, in genere di tipo digitale.

Hanno un funzionano a scatti e con forti vibrazioni, soprattutto ai bassi regimi e se si adottano le tecniche di pilotaggio più semplici.

Il loro rendimento energetico è basso e, in genere, la potenza meccanica è piccola.

Hanno un costo elevato, relativamente ad altri tipi di motore con analoghe prestazioni.

Difficilmente raggiungono velocità di rotazione elevate

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07/04/2008

Parametri macchina asincrona

PARAMETRI DELLA MACCHINA ASINCRONA

DETERMINAZIONE DEI PARAMETRI DELLA MACCHINA ASINCRONA

Per determinare i parametri della macchina asincrona è necessario effettuare varie prove:

-Prova a vuoto
La prova si esegue alimentando la macchina alla tensione ed alla frequenza nominali in assenza di carico meccanico applicato all’albero (vuoto meccanico).
Durante la prova si misurano la tensione di linea, la corrente di linea e la potenza assorbita, avendo cura di controllare la costanza della frequenza di rete, perché da essa dipende in modo essenziale la potenza assorbita a vuoto dal motore. Lo schema di misura è mostrato in fig. 1.

Fig. 1- Schema di misura della prova a vuoto.

La misura delle correnti di linea è effettuata mediante tre amperometri a valore efficace. Quale valore della corrente a vuoto si assume convenzionalmente la media aritmetica delle correnti di linea misurate.
La potenza assorbita dal motore trifase può essere misurata mediante tre wattmetri monofase collegati a stella, oppure un wattmetro trifase. Dalla totale potenza misurata vanno inoltre detratti i consumi dei circuiti voltmetrici degli strumenti, qualora questi siano superiori agli errori di indicazione e di lettura degli strumenti stessi.
La potenza assorbita a vuoto dal motore è somma delle perdite a vuoto nel rame di statore , proporzionali al quadrato della corrente in ciascun avvolgimento di statore, delle perdite nel ferro a vuoto , pressoché proporzionali al quadrato della tensione di alimentazione, e delle perdite per attrito e ventilazione   che si possono ritenere costanti ed indipendenti dalla tensione di alimentazione e dalle condizioni di carico.

Le perdite nel ferro e per attrito e ventilazione si ottengono sottraendo dalla potenza assorbita a vuoto le perdite joule di statore:

in cui   è la resistenza tra due morsetti di linea, misurata in corrente continua e Io è la corrente di linea misurata a vuoto.
La separazione delle perdite nel ferro da quelle per attrito e ventilazione può essere effettuata misurando contemporaneamente tensione, corrente e potenza in ingresso alla frequenza nominale e per valori di tensione decrescenti dal 125% del valore nominale fino al punto in cui ulteriori riduzioni di tensione causano un aumento della corrente assorbita.
I punti sperimentali ottenuti saranno quindi riportati in un diagramma avente in ascissa il quadrato della tensione di linea ed in ordinata la somma delle perdite nel ferro e per attrito e ventilazione. Mediante interpolazione dei punti sperimentali si ottiene una caratteristica lineare la cui intercetta con l’asse delle ordinate fornisce le perdite per attrito e ventilazione.
Dal circuito equivalente monofase del motore asincrono, è possibile esprimere le perdite nel ferro a vuoto Pfeo come segue:

in cui Vo è la tensione di linea ed il parametro K rappresenta il rapporto tra il modulo dell’impedenza del ramo trasversale ed il modulo dell’impedenza complessiva del circuito nel funzionamento a vuoto. E’ evidente come la pendenza della caratteristica lineare ottenuta non corrisponda al valore della conduttanza del ferro Gfe.
E' possibile inoltre ottenere la caratteristica che esprime il legame tra la corrente a vuoto misurata e la tensione di linea Vo, interpolando i dati di misura delle due grandezze. In corrispondenza della tensione nominale Vn si determina il valore della corrente nominale a vuoto Ion.
Mediante il circuito equivalente si possono determinare le espressioni della reattanza magnetizzante Xm e della conduttanza del ferro Gfe in funzione delle varie grandezze misurate nella prova a vuoto, nell’ipotesi di trascurare, ai soli fini del calcolo delle tensioni, la resistenza di statore e la conduttanza del ferro.

in cui

è la potenza reattiva assorbita a vuoto a tensione nominale, e Pfeo,n sono le perdite nel ferro a vuoto a tensione nominale.

-Prova a rotore bloccato

La prova si esegue alimentando la macchina alla tensione cui corrisponde una corrente assorbita pari al valore nominale e ad una frequenza costante, in condizioni di rotore bloccato.
A rotore bloccato (scorrimento unitario) la frequenza delle grandezze di rotore è uguale a quella delle grandezze di statore, mentre in condizioni di funzionamento nominali lo scorrimento è molto piccolo e, quindi, la frequenza delle grandezze di rotore è di pochi hertz. Per una corretta valutazione della resistenza e della reattanza di dispersione di rotore necessarie per il calcolo delle prestazioni a carico, è opportuno effettuare la prova a rotore bloccato a frequenza ridotta, non superiore al 25% del valore nominale.
Durante la prova si misurano la tensione di linea, la corrente di linea e la potenza assorbita. Lo schema di misura, riportato in fig. 3, è analogo a quello di fig. 1 con l'unica differenza che il rotore della macchina è bloccato meccanicamente.
Dalla totale potenza misurata devono essere detratti i consumi dei circuiti voltmetrici degli strumenti, qualora questi siano superiori agli errori di indicazione e di lettura degli strumenti stessi.
La potenza assorbita a rotore bloccato dal motore è somma delle perdite joule nel rame di statore, delle perdite nel ferro a rotore bloccato, e delle perdite nel rame di rotore

Fig. 3 - Schema di misura della prova a rotore bloccato.

E' opportuno che il rilievo delle perdite e della tensione di cortocircuito sia effettuato per diversi valori della corrente, e quindi della tensione di alimentazione, allo scopo di attenuare sia l'effetto di errori occasionali nelle misure, sia di individuare con maggior precisione i valori delle perdite e della tensione di corto circuito corrispondenti alla corrente nominale, mediante il tracciamento delle relative curve caratteristiche. Tali curve sono ottenute per interpolazione dei dati sperimentali.
Mediante il circuito equivalente di fig. 4 si possono determinare le espressioni della reattanza di dispersione di statore Xds,cc , alla frequenza fcc del test, e della resistenza di rotore (riferita allo statore) Rr, alla temperatura cc del test, in funzione delle varie grandezze misurate nella prova a rotore bloccato, nell’ipotesi di trascurare, ai soli fini del calcolo delle tensioni, tutti i parametri resistivi.

in cui

è la potenza reattiva assorbita a rotore bloccato alla corrente nominale. La reattanza di dispersione di statore   deve essere riportata alla frequenza nominale di alimentazione fs mediante la seguente espressione:

Fig. 4 - Circuito equivalente del motore asincrono a rotore bloccato.

-METODO ITERATIVO PER IL CALCOLO DEI PARAMETRI DEL CIRCUITO EQUIVALENTE

Per determinare il valore dei parametri del circuito equivalente del motore asincrono dai dati delle prove a vuoto e a rotore bloccato è necessario stabilire una relazione tra la reattanza di dispersione di statore e quella di rotore (riferita allo statore). Se le specifiche di progetto del motore sono disponibili, allora è possibile utilizzare il valore calcolato del rapporto tra le due reattanze . In caso contrario, Le Norme IEEE Std. 112-1984 fissano il valore di tale rapporto in base al tipo di motore (A - B - C - D - a rotore avvolto). Il motore impiegato per l'esecuzione delle prove di laboratorio è del tipo A, cui corrisponde il valore .
La soluzione delle equazioni (6), (10) e (13) è ottenuta impiegando un metodo di calcolo iterativo costituito dai seguenti passi:
1.    calcolo di   dalla (6), assegnando valori arbitrari alle quantità   e ;
2.    calcolo di   dalla (10), impiegando il valore di   del passo 1;
3.    calcolo di   dalla (13);
4.    calcolo di   dalla (6), utilizzando il valore di   del passo 3 ed il valore del rapporto   calcolato mediante i passi 1 e 3;
Il ciclo iterativo prosegue fino a quando si ottengono valori stabili di   e   con un errore inferiore allo 0.1%.
Una volta ricavati i valori della reattanza di dispersione di statore e della reattanza magnetizzante, si possono determinare la reattanza di dispersione rotorica (riferita allo statore), la conduttanza del ferro dall'equazione (7), ed infine la resistenza di rotore (riferita allo statore) alla temperatura della prova a rotore bloccato mediante l'equazione (11).
E' importante sottolineare il fatto che i valori dei parametri ottenuti con il precedente metodo sono approssimati, a causa delle ipotesi semplificative con cui sono state ricavate le equazioni (6), (7), (10) e (11). Per migliorare quindi l'accuratezza nella determinazione delle prestazioni della macchina a partire dal circuito equivalente, è preferibile aggiustare i parametri Rr/s ed Xm in modo tale che i valori della corrente di linea e della potenza attiva in ingresso calcolati mediante il circuito equivalente differiscano da quelli misurati durante una prova a carico di non più dell'1%.
La resistenza di rotore corretta si ottiene moltiplicando il valore finale assunto da Rr/s per il valore misurato dello scorrimento. Infine, le resistenze di statore e di rotore devono essere riportate alla temperatura di riferimento prima di determinare le prestazioni del motore in corrispondenza di carichi pari al 25%, 50%, 75%, 100%, 125% e 150% della potenza nominale.

-Misura delle resistenze
La misura della resistenza statorica si effettua mediante un ponte di Wheastone tra due morsetti statorici, dopo aver fatto funzionare la macchina per un congruo periodo di tempo al fine di portare gli avvolgimenti alla temperatura di normale funzionamento. La resistenza di una fase (se la macchina è collegata a stella) o dell’equivalente a stella di una fase è data da:

dove R12s è la resistenza misurata tra due morsetti di statore. Analoga misura si effettua tra due anelli di rotore (per le macchine asincrone a rotore avvolto), si ottiene quindi la misura della resistenza di una fase rotorica:

dove R12r è la resistenza misurata tra due morsetti di statore.

-Caratteristica meccanica della macchina asincrona

La potenza di traferro è data, utilizzando     , da:

e quindi la coppia elettromagnetica, nel caso di macchina ad un paio di poli vale:

Viene valutata la caratteristica meccanica con un procedimento approssimato, supponendo costante e pari alla tensione di rete, la forza elettromotrice indotta negli avvolgimenti statorici dal flusso di traferro. Ciò significa mantenere costante la tensione di capi dell’impedenza trasversale del circuito equivalente della macchina asincrona:
La potenza di traferro assume in questa ipotesi la forma:

Il valore dello scorrimento per cui si verifica la coppia massima è dato da:

L’andamento della caratteristica meccanica è riportato nella figura seguente:

Caratteristica meccanica.

I punti caratteristici della caratteristica meccanica sono:

Co = coppia di spunto (o di avviamento), corrispondente a s = 1;
CM = coppia massima;
s* = scorrimento per cui si ha la coppia massima;
ùs = pulsazione di sincronismo (corrispondente a s = 0).

Per poter modificare la caratteristica meccanica, e quindi la velocità della macchina, si può intervenire sui seguenti parametri:

a) resistenza rotorica (Rr);
b) ampiezza della tensione di alimentazione (V);
c) frequenza della tensione di alimentazione (fs).


-Regolazione di velocità agendo sulla resistenza rotorica
Una tecnica poco usata, ma possibile in asincroni a rotore avvolto, è di controllare la velocità con l’uso di resistenze addizionali di rotore. Aumentando la resistenza rotorica, in base alla (3.41) aumenta il valore dello scorrimento (s*) per cui si ha la coppia massima e quindi aumenta anche la coppia di spunto, mentre non si modifica il punto di sincronismo (ùs)

Regolazione variando la resistenza di rotore.

-Regolazione di velocità agendo sull’ampiezza della tensione di alimentazione

Il metodo più banale consiste nel variare la tensione di alimentazione, mantenendo costante la frequenza.

Regolazione variando l’ampiezza della tensione di alimentazione.

Si vede in Fig.3.13 che è possibile ridurre la velocità del motore diminuendo il modulo della tensione statorica applicata. Il problema di questa tecnica è che riducendo il modulo della tensione statorica si riduce molto anche la coppia motrice: Pertanto il range di regolazione risulta alquanto limitato. Sarebbe possibile ottenere sensibili variazioni di velocità, a pari
coppia resistente, solo se il motore presentasse una caratteristica statica molto pendente vicino alla velocità sincrona, il che significherebbe avere motori di basso rendimento, con elevata resistenza di rotore.

-Regolazione di velocità a tensione variabile e a frequenza variabile

I metodi di regolazione più diffusi operano mantenendo il rapporto V /fs costante, cioè mantenendo costante il valore di flusso al traferro (che differisce di poco dal flusso di statore). Poiché la coppia motrice è proporzionale al prodotto tra il flusso di statore e la corrente rotorica, se il flusso di statore è costante la coppia dipenderà dalla sola corrente rotorica:
conviene perciò un funzionamento con flusso massimo per ottenere coppie più elevate a pari corrente rotorica. Diminuendo la frequenza statorica di alimentazione fs, a pari V, il flusso aumenta; poiché i motori lavorano vicino alla saturazione, una diminuzione della frequenza non comporta grandi benefici, perché il flusso non può crescere oltre il valore massimo. Effettuare una regolazione a flusso costante significa operare in modo che tutte le variazioni di frequenza siano accompagnate da variazioni proporzionali di tensione. Si verifica facilmente che la coppia massima non cambia se il rapporto tensione/frequenza è costante, mentre la coppia di spunto è inversamente proporzionale alla frequenza di alimentazione e cresce se ωi si riduce. Il funzionamento a flusso costante permette una dinamica pronta e un buon rendimento energetico, perché il motore lavora sempre con il suo flusso nominale, a basso scorrimento e con coppia di spunto vicina al suo valore massimo.

Regolazione a V/f costante

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31/03/2008

Motori Brushless

Davide C. Jean Emmanuel A. Amedeo L. M.

RELAZIONE DI ELETTROTECNICA:

Il Motore Brushless

Il motore brushless è un motore elettrico che viene alimentato con tensione continua e differisce dagli altri motori elettrici a corrente continua in quanto, come ci viene suggerito dal nome, è privo di spazzole ( in Inglese Brush ) e non presenta nemmeno il collettore.

Come gli altri motori elettrici, anche quest’ultimo si basa su fenomeni di tipo induttivo gestiti tramite dei circuiti esterni allo stesso.

Per poter descrivere questo tipo di motore è necessario distinguere tra quelli bifase di cui si parla in seguito e quelli trifase che differiscono per alcuni aspetti secondari.

Considerando un motore brushless monofase possiamo localizzare sulla parte dello statore le induttanze che esercitano i loro effetti elettromagnetici sul rotore costituito da un magnete permanete e opportunamente fissato all’albero motore come si può notare nello schema che segue:

Inoltre, in un motore brushless possiamo notare degli ulteriori sensori, costituiti da materiali semiconduttori, che hanno il compito di determinare la posizione del rotore e di invertire le correnti all’interno delle bobine al fine di ottenere valori di coppia e di potenza ottimali per ogni istante in cui il motore è in funzione.

Malgrado alcuni svantaggi rispetto ad altri tipi di motori elettrici, in determinate situazioni è preferibile se non indispensabile l’utilizzo di questa categoria di motori piuttosto che i motori elettrici convenzionali ( con spazzole e collettore ) che causano inconvenienti quali:

Eventuali radiodisturbi causati dallo scintillio delle spazzole che si diffondono nell’ambiente circostante causando gravi interferenze

Frequente richiesta di manutenzione dei corpi in movimento che si consumano per il contatto e talvolta non possono essere sostituiti

Usura del collettore che peggiora il contatto e diminuisce la resa del motore ( in macchinari di dimensioni ridotte corrisponde alla fine dell’utilizzo dell’apparecchiatura mentre i macchinari industriali di dimensione maggiore richiedono una nuova tornitura del collettore)

Creazione di polveri a causa dell’ossidazione dei contatti che possono provocare malfunzionamenti

Nel motore brushless, come in quello a collettore, la coppia è inversamente proporzionale all’aumento della velocità di rotazione siccome a causa dei ritardi dovuti alle induttanze, esse non riescono a raggiungere il valore massimo di tensione nel ridotto tempo che intercorre tra le inversioni di corrente delle fasi.

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31/03/2008

Coppia dinamica di motori step

Coppie dinamiche dei motori step

1) Cosa si intende per coppia dinamica di un motore step?

2) Quanto vale se il motore lavora a vuoto a basse velocità? Perché?

3) Come cambia se si applica una coppia resistente (un carico meccanico) al motore?

4) Come si chiama la coppia massima che il motore riesce a sviluppare in movimento? Quanto vale all’incirca?

5) Come varia la coppia dinamica al variare della velocità del motore? Perché?

6) Cos’è la caratteristica di pull-in?

7) Cosa indicano le velocità di Pull-in e di Pull-out?

8) Quali sono gli accorgimenti adottabili per aumentare la coppia di Pull-out ad alte velocità?

9) Cos’è l’errore di passo e a cosa è dovuto?

10) A cosa sono dovute le oscillazioni che avvengono quando il motore viene arrestato sulla posizione di destinazione?

11) Com’è possibile ridurre le oscillazioni?

12) Perché è importante che le curve di coppia siano più ripide possibili?

1) Per coppia dinamica di un motore step si intende la coppia che il motore sviluppa mentre ruota a velocità costante, in opposizione alla coppia statica (Holding Torque), che è la coppia che il motore è in grado di sviluppare quando mantenuto stabile in una posizione.

2) A basse velocità, ovvero a velocità in cui la costante di tempo elettrica τ_p sia breve rispetto alla durata T_p di un passo, la coppia segue l’andamento riportato con tratto più pesante in figura: senza titolo1

I numeri 1, 2, 3 e 4 indicano i momenti in cui il circuito di controllo commuta il rotore in una diversa configurazione, riportata sopra al numero stesso. Le aree grigie rappresentano l’energia meccanica erogata dall’albero; si può notare che a vuoto le aree positive eguagliano quelle negative e quindi il valore efficace della coppia erogata dal motore, trascurando gli attriti, è nullo.

3) Se al motore viene applicata una coppia resistente, il rotore sarà in ritardo di un angolo β rispetto a quando lavora a vuoto, come evidenziato in figura. A causa di ciò, la somma delle aree positive sarà maggiore di quella delle aree negative e quindi la coppia media erogata dall’albero non sarà più nulla. senza titolo2

4) Aumentando la coppia resistente, il ritardo aumenterà in modo da aumentare la coppia fornita, fino ad un valore massimo oltre al quale il motore perde il passo e si ferma, detto coppia di Pull-out (Pull-out Torque, P.O.). In linea teorica essa vale circa 0,9 H.T., dove H.T. è la Holding Torque, ma in pratica questo valore è più piccolo a causa del fatto che le commutazioni non sono istantanee ma seguono in transitorio di corrente e che le curve di coppia sono irregolari. Si consiglia infatti di non richiedere all’albero in movimento una coppia superiore a 0.5 H.T.

5) Se la velocità del rotore aumenta, ovvero T_p diventa dello stesso ordine di grandezza di τ_p, la corrente non riesce più a raggiungere il valore massimo V/R e quindi la P.O. Torque diminuisce. Se la frequenza di commutazione aumenta ancora oltre ad un certo limite, la coppia sviluppata non riesce più nemmeno a vincere gli attriti e quindi il motore si ferma.

6) Perché il motore raggiunga la P.O. Torque, deve raggiungere la velocità finale gradualmente seguendo adeguate rampe di accelerazione. Se ciò non avviene si dice che il motore viene fatto lavorare in funzionamento in pull-in e svilupperà una coppia minore rispetto a quando lavora in funzionamento in pull-out (accelerato gradualmente).

7) Le velocità di pull-in e di pull-out di un motore indicano rispettivamente la velocità massima in cui il motore è in grado di avviarsi in funzionamento in pull-in o in pull-out. La velocità di pull-out sarà sempre più grande della velocità di pull-in.

8) Gli accorgimenti realizzabili per forzare la coppia di pull-out ad altà velocità sono tre:

a. inserimento di una resistenza in serie alle fasi. Ciò permette di diminuire la costante di tempo, a costo di un aumento della tensione di alimentazione e di una grande dissipazione di potenza nella resistenza stessa. Questo svantaggi fanno sì che questo accorgimento venga adottato solo per motori di bassa potenza.

b. tensione di speed-up. Viene utilizzata una seconda tensione di alimentazione V’ molto maggiore di quella nominale, con cui, attraverso un transistor opportunamente controllato, si alimentano le fasi in commutazione; così facendo la costante di tempo rimane invariata ma la corrente cresce molto più rapidamente perché tende ad un valore molto più alto. E’ però necessario, non appena la corrente raggiunge il valore nominale, provvedere a disattivare il transistor per evitare che l’alta corrente danneggi le bobine.

c. pilotaggio a corrente costante. Utilizzando appositi circuiti elettronici reperibili a costi contenuti, si alimenta il motore ad una tensione sempre molto più alta di quella nominale. Durante la commutazione, non appena la corrente raggiunge il valore nominale, un opportuno sensore spegne il transistor che permette alla corrente di affluire alle bobine. La corrente scenderà lentamente a causa dell’induttanza delle bobine e dopo un tempo t_a << T_p scandito da un multivibratore astabile il transistor viene riattivato, facendo nuovamente aumentare la corrente fino al valore nominale, dopodichè viene di nuovo disattivato in un processo che continua fino alla successiva commutazione. Questo è il metodo che permette di ottenere i valori di coppia più alti, come riportato dal grafico in figura: senza titolo3

9) L’errore di angolo o di passo è la deviazione della posizione reale raggiunta dal motore rispetto a quella teorica ed è dovuto principalmente alle tolleranze meccaniche: forma e posizionamento dei denti dello statore e dei denti o dei poli del rotore, disassamento dell’albero rispetto all’asse geometrico dello statore o rispetto a quello della superficie del rotore, disallineamento tra rotore e statore. Per azionamenti di precisione è necessario che questi errori siano definiti accuratamente; per misurarli si utilizza un encoder di precisione azionato dal motore e collegato ad un elettronica adatta.

10) Le oscillazioni di fermata sono dovute all’inerzia posseduta dal motore in movimento nel momento in cui esso viene arrestato magneticamente sulla posizione richiesta.

11) Le oscillazioni non possono essere eliminate del tutto ma possono essere ridotte studiando opportunamente il profilo dei denti, ridurre i traferri, adottare elevati valori di induzione. Si possono inoltre adottare adeguate rampe di frenata che diminuiscano la velocità residua quando il motore si avvicina alla posizione definitiva, adottare un circuito di alimentazione a bassa impedenza che cortocircuiti le correnti indotte dallo smorzamento, o infine utilizzare opportuni circuiti elettronici.

12) Per tre motivi principali:

a. riduzione dell’errore statico dovuto al carico esterno;

b. riduzione dell’ampiezza dell’overshoot, ovvero dell’angolo di cui si supera la posizione teorica del motore nel momento in cui avvengono le oscillazioni di fermata;

c. riduzione del tempo di smorzamento.

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categoria: 170 motori step

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19/03/2008

As 2007/08 3&4 Ele Compiti in classe secondo quadrimestre

Compiti in classe secondo quadrimestre

Un compito in classe, una relazione, un lavoro diverso o un gioco per testare la maturità?

Ultimi compiti in classe: come ravvivare l'interesse per una materia quale l'elettrotecnica per i futuri periti in elettronica? E come farlo nelle due classi, 3 e 4 Ele?

Dopo qualche piccola preparazione utilizzata per i lavori delle vacanze natalizie e invernali si è discusso con le classi, più in quarta che in terza, della metodologia da utilizzare.

Io assegno degli argomenti, gli allievi li studiano, si pongono delle domande, una dozzina; verifichiamo insieme se sono complete, quindi gli allievi rispondono alle domande, stampano il lavoro finito e lo pubblicano sul blog di classe 3 Ele e 4Ele e sul vecchio portale della nostra scuola.

A questo punto il compito è terminato e si possono effettuare le seguenti valutazioni:

Bontà e qualità delle domande

Bontà e qualità delle pubblicazioni sul blog

Bontà e qualità delle pubblicazioni sul portale

Completezza nell'insieme del lavoro scritto.

A questo punto ogni allievo relaziona per la parte sviluppata nel suo compito in classe alla classe, io intervengo molto poco, la classe pone domande e gli allievi stessi rispondono in modo coerente ed esaustivo; questo quadro porteà ad un ottimo voto anche per l'orale.

Questa la traccia per la classe Quarta con argomento le macchine elettriche; per la classe Terza si limita questo lavoro alle parti riguardanti le curve periodiche, alternate e i numeri complessi.

Prof. Costantino Soudaz

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categoria: 090 compiti in classe 2° quadri

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10/03/2008

MOTORE A CORRENTE CONTINUA

Amedeo L.M. - William N. - Davide N.

MOTORE A CORRENTE CONTINUA

-MOTORE AC

Il motore AC è formato da un albero motore (6), sul quale è posizionato un rotore (1), il quale è avvolto da una bobina di rame (12). Intorno al rotore, e attaccata saldamente alla protezione esterna (13) risiede il magnete (2). All’estremità della bobina, collegato ad essa e posizionato sull’albero risiede il collettore (7) il quale è a contatto con delle spazzole (3), le quali a loro volta vengono collegate all’alimentazione tramite dei portaspazzola (8) (tutto questo permette di far scorrere la corrente all’interno della bobina). Infine l’albero ruota sulla copertura esterna detta scudo o flangia (4) per mezzo di cuscinetti (5).

Immagine

- FUNZIONAMENTO:

La corrente elettrica passa in un avvolgimento di spire che si trova su un pezzo di ferro dolce chiamato rotore. Questo avvolgimento, composto da fili di rame, crea un campo elettromagnetico al passaggio di corrente. Questo campo elettromagnetico è immerso in un altro campo magnetico creato dallo statore, il quale è caratterizzato dalla presenza di due o più calamite. Il rotore per induzione elettromagnetica inizia a girare, in quanto il "nord" del campo magnetico del rotore è attratto dal "sud" del campo magnetico dello statore e viceversa. Ogni mezzo giro la polarità cambia, in modo da dare continuità alla rotazione. Durante la trasformazione, una modesta parte dell'energia viene dispersa per l'effetto Joule.

Si possono anche avere due differenti tipi di funzionamento del motore elettrico, il funzionamento a vuoto e il funzionamento sotto carico:

Prendiamo ora in considerazione il funzionamento a vuoto. Considerando una macchina inizialmente ferma e applichiamo ai suoi morsetti la tensione V per mezzo di un generatore ideale: Poiché la macchina è ferma non genera alcuna tensione al suo interno, ma per l’effetto del generatore esterno nel suo avvolgimento circola la corrente
Is = V / R

Dove R è la resistenza dell’avvolgimento, ed Is è la corrente di spunto.
L’interazione tra corrente e campo magnetico genera una coppia pari a:

C = Kt * I

Dove Kt è una costante detta costante di coppia.
Per effetto di questa coppia il rotore viene sottoposto ad un’accelerazione ed entra in rotazione con velocità via via crescente. L’avvolgimento, movendosi all’interno del campo magnetico, genera una tensione E proporzionale alla velocità raggiunta:

E = Ke * ω

Dove Ke è una costante e ω = 2пf (velocità angolare)
Il senso della rotazione è sempre tale che E si oppone alla tensione V.
Quando il rotore raggiunge una certa velocità angolare ω la corrente che entra nella macchina vale:

I = (V – E) / R = ( V – K * ω) / R

Il valore di I è minore di quello di Is ma è ancora sufficiente a fornire una coppia che accelera ulteriormente il rotore.
Se la macchina funziona a vuoto, cioè non è applicata alcuna forza frenante all’albero motore, l’accelerazione prosegue fino a raggiungere una velocità pari a ω0, elevata a sufficienza perché la tensione E assuma il valore di V:

E = Ke * ω0 = V

quindi:

ω0 = V / Ke

Quando il rotore raggiunge la velocità ω0 (detta velocità a vuoto) non circola più alcuna corrente, perché l’espressione I = (V – E) / R si annulla quando E = V .

Se all’albero motore viene però applicata una coppia frenante Cl, il rotore subisce un rallentamento, facendo così ridurre la tensione E e facendo di conseguenza circolare una corrente I la quale genera una coppia motrice C opposta a Cl.
Il motore si stabilizzerà quindi a quella velocità che gli permette di generare una coppia motrice esattamente uguale e opposta a Cl.

Riportando l’andamento della velocità in funzione della coppia su di un grafico si può notare come la velocità del motore decresce linearmente all’aumentare della coppia

-REGOLAZIONI POSSIBILI

L’unica regolazione che si può effettuare su di un motore a corrente continua senza andare a agire sulla dimensione dei materiali di cui è composto è quella di variare la tensione di alimentazione.

-FORMULE CHE PERMETTONO IL PROGETTO DELLA MACCHINA

Visto il funzionamento del motore nel paragrafo precedente si può intuire che le formule che ne permettono la costruzione ed il funzionamento sono:

-La legge di ohm: presente in tutte le macchine elettriche V = R * I
-La velocità angolare ω = 2пf
-Lo spostamento angolare θ, dato da ω * t
-L’accelerazione angolare α

-La coppia C = Kt * I
-Il lavoro, dato da C * θ
-La potenza P = C * ω
-L’energia cinetica Wcin = (1 / 2) * J * ω^2

-CIRCUITO EQUIVALENTE

Il circuito equivalente di un motore DC è costituito da una resistenza Ra (qualche ohm), da un induttore La (mH, ininfluente a regime ma importante alla partenza e per i problemi che causa) e da un generatore di tensione Eg, proporzionale alla velocità di rotazione.

Immagine1

Il circuito equivalente del motore in corrente continua ha l’importante funzione di di portare in un circuito elettrico le grandezze meccaniche, che possono così essere calcolare con le abituali tecniche di risoluzione delle reti elettriche.
Possiamo anche dire che nel circuito equivalente:

-Le inerzie sono rappresentate dalle capacità
-Le coppie sono rappresentate dalle correnti
-Le velocità sono rappresentate dalle tensioni

-AVVIAMENTO DEL MOTORE CC

L’avviamento diretto del motore per mezzo dell’applicazione ai suoi morsetti della tensione di alimentazione V non è sempre possibile.
I motori di maggior potenza hanno solitamente resistenze così basse che le loro correnti di spunto risultano troppo gravose sia per il motore sia per il circuito che lo alimenta, mentre i piccoli motori sono spesso alimentati da circuiti elettronici che non sopportano le loro correnti di spunto. Per risolvere questi inconvenienti si possono usare 2 accorgimenti:

-Avviamento a corrente costante
-Avviamento a reostato

Nel primo caso il motore è regolato elettronicamente in modo da non superare mai un ben preciso valore di corrente I, la coppia risulta così costante (C = Kt * I) come l’accelerazione (α = C / J). La velocità angolare ω cresce linearmente nel tempo secondo la relazione ω = α * t.
Conseguentemente anche la tensione V ai morsetti cresce linearmente nel tempo. Questo permette quindi di non rovinare il motore e il circuito che lo alimenta.

Nel secondo caso invece viene inserita una resistenza di avviamento R (reostato) fra il generatore di tensione e il motore. Il reostato viene poi cortocircuitato ad avviamento avvenuto.

-RENDIMENTO DEL MOTORE CC

Il rendimento del motore a corrente continua è dato dal rapporto

N = Pu / Pi

Dove Pu è dato da (ω * C) mentre Pi è data da (V * I)

Il rendimento massimo vi può invece calcolare con la seguente formula:

nM = (1 - √I0 / Is)^2

Dove I0 è la corrente a vuoto, mentre Is è la corrente di corto circuito. La media geomentrica di queste due correnti da la corrente InM che rende massimo il rendimento.

L’indicazione del rendimento massimo è spesso riportata sui cataloghi dei fornitori di motori, tuttavia deve essere valutata con cautela, visto che il rendimento dipende dalla corrente Is che è variabile con la tensione di alimentazione, e da I0 che è variabile con lo stato dei cuscinetti.

-PREGI E DIFETTI

I motori a corrente continua sono molto funzionali, ciò vale a dire che posso essere usati in qualunque circostanza senza alcun problema, inoltre tutto i costi di questi motori sono ridotti.
Nonostante tutto questi motori hanno anche dei difetti i quali si posso riassumere nell’usura delle spazzole, le quali una volta usurate non fannopiù bene contatto con il collettore e quindi il motore smette di funzionare, e l’usura dei cuscinetti i quali una volta usurati non permettono più all’albero motore di ruotare con facilità

-POSSIBILITA’ DI VEDERLI SUL TERRITORIO

Sul territorio sono visibili nelle autovetture, vengono infatti usati per abbassare o alzare i finestrini, tramite un collegamento rocchetto (collegato al motore) cremagliera (collegato al vetro). Sempre sulle vetture sono utilizzati per far ruotare i tergicristalli, o nelle vetture cabrio per far sparire il tettuccio.
Nelle ultime vetture i motori elettrici sono anche usato come motori supplementari a quelli a scoppio.
In altre occasioni i motori a corrente continua sono usati per far muovere alcuni treni o tram.

-POSSIBILITA’ DI VEDERLI IN CASA

In casa i motori a corrente continua si possono vedere nei cellulari per la vibrazione, oppure in qualunque accessorio contenga un sistema di ventilazione elettrico.
Sono anche presenti nella lavatrice, infatti il cestello è fatto ruotare da un motore elettrico, oppure negli elettrodomestici della famiglia dei frullatori.
In qualunque Pc sono presenti molti motori elettrici come sono presenti anche nei lettori dvd o nei registratori.

-EFFETTO DELLA CORRENTE ELETTRICA SUL CORPO UMANO

Nel corpo umano sono presenti impulsi elettrici per stimolare i muscoli al movimento, se quindi una corrente estranea si sovrappone a questi impulsi può causare anche conseguenza gravissime. Se un muscolo viene colpito da un impulso esso si contrae, e se la frequenza degli impulsi supera un certo limite il muscolo entra in uno stato di contrazione permanente detta tetanica, in questo caso la vittima rimane in contatto con la parte intenzione senza possibilità di staccarsi. La corrente massima oltre la quale il muscolo rimane contratto è detta corrente di rilascio ed è di circa 50-70 mA per la corrente continua, mentre 10-16 perquella alternata. Se la tetanizzazione interessa i muscoli respiratori si generà un processo di asfissia.
Nel ciclo cardiaco esiste un istante in cui il cuore è elettricamente instabile, se viene colpito in quell’istante da una scarica il cuore si contrae in maniera disordinata non svolgendo più il proprio lavoro, questo fenomeno è detto fibrillazione. Il rischio di fibrillazione varia a seconda del tragitto della corrente nel corpo umano, per valutare questo rischio è stata fatta una tabella in cui ogni percorso ha un proprio fattore al quale è associato un indice il quale ne indica la pericolosità. Nel caso in cui ci sia la fibrillazione è necessario intervenire manualmente, visto che non c’è tempo per portare il malcapitato in ospedale.
Visto che il corpo umano ha una propria resistenza al passaggio della corrente produce calore, il quale può provocare ustioni.

-IN UN PROCESSO DI PRODUZIONE A BASSISSIMO COSTO COME TARARE IL CONTROLLO DI PROCESSO?

Visto che i prodotti a bassissimo costo solitamente sono componenti che vengono utilizzati per costruire altri componenti, e visto che questi tipi di oggetti sono prodotti in grandi quantità ed esportati in una nazione, continente o in tutto il mondo, il controllo di processo deve avere una percentuale di errore bassissima. Questo perché se si dovesse errare nella dimensione o il componente sia difettoso sostituire magari 1000 opiù pezzi esportati nel mondo porterebbe un costo notevole.

postato da 4eleisitip08 alle ore 13:20 | Permalink | commenti / commenti (pop-up)
categoria: 120 motori corrente continua

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