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DIMENSIONAMENTO DEI COMPONENTI
Potenza assorbita
dal motore Il motore alimentato assorbe una potenza di 1080W con corrente e tensione nominale di 9A e 120V. Ma la costante di tempo termica del motore è abbastanza elevata da consentire, grazie al sovradimensionamento del collettore, un assorbimento di corrente di 45A. Questa caratteristica consente di ottenere una buona dinamica del motore. In questa applicazione però, in cui il motore è destinato a muovere un carico meccanico con coppia resistente ed inerzia molto ridotte, non è necessario arrivare ad un assorbimento di corrente così elevato per ottenere una buona dinamica del sistema.
Modulo ad IGBT Il modulo di potenza ad IGBT Eupec BSM25GD120DN2 ha una corrente nominale, a 25°C di temperatura del case, di 35A (che scende a 25A a 80°C), ed una tensione nominale di 1200V. Un modulo di potenza con
capacità di corrente di 45A avrebbe apportato un beneficio alla dinamica del sistema poco apprezzabile a fronte di un aumento consistente dei costi, tenuto conto del ridotto carico meccanico da azionare. Come appena visto il modulo ha una portata di corrente che varia con la temperatura del suo case. La temperatura del case dipende dalla potenza dissipata oltre che dal tipo di raffreddamento. Il dissipatore installato sul modulo ad IGBT deve avere una resistenza termica sufficientemente bassa in modo che il modulo di potenza riesca a dissipare la potenza termica senza raggiungere temperature operative troppo elevate. Per migliorare l’efficienza del raffreddamento sarebbe necessario realizzare una ventilazione forzata. Nel nostro caso però, l’azionamento è realizzato per scopi didattici, quindi, affinché le lezioni possano essere svolte comodamente, il rumore deve essere limitato il più possibile. Tenuto conto di questo si sceglie non installare un ventilatore elettrico, che aumenterebbe apprezzabilmente la rumorosità, a favore di una ventilazione naturale. Con questo tipo di raffreddamento il case del modulo ad IGBT è destinato a salire a
temperature sicuramente maggiori di 25°C. Cautelativamente la portata del modulo ad IGBT alla temperatura di regime è di 25A. Si potrebbe installare un sensore di temperatura sul case del modulo, mettendo a disposizione del controllore questo dato, in modo tale da adattare i parametri del controllo sfruttando sempre appieno le capacità dell’azionamento. Una tale complicazione dell’azionamento non garantirebbe però dei vantaggi apprezzabili nella dinamica del sistema.
Raddrizzatore a ponte Il raddrizzatore a ponte trifase a diodi Semikron Semipont 1 31/12 ha caratteristiche nominali di corrente di uscita lato continua e tensione di 31A (con temperatura del case di 100°C) e 1200V rispettivamente. Con una temperatura del case di 85°C la corrente sopportabile dal componente aumenta a 44A. Quindi sul ponte raddrizzatore deve essere installato un dissipatore metallico che a regime riesca a mantenere il case in questo range di temperatura.
Resistenza di frenatura Per garantire che la tensione sul condensatore rimanga entro i suoi limiti
operativi, è necessario prevedere un sistema che riesca ad evitare l’accumulo di energia sul condensatore in caso di frenatura del motore. Inoltre bisogna considerare che il controllore è stato dimensionato supponendo che la tensione di alimentazione del chopper sia costante. Se ciò non avviene il controllore è portato ad operare in modo non ottimale. Durante la frenatura del motore l’energia meccanica accumulata dalle parti rotanti si trasforma in energia elettrica nel motore in continua (in base allo stesso principio di induzione magnetica che crea la coppia motrice). Questa energia elettrica crea un flusso di energia che tende a defluire dal motore a favore della rete elettrica. Il chopper non costituisce un ostacolo al flusso di energia, in quanto bidirezionale, ma il raddrizzatore a ponte, che è unidirezionale, si. Quindi l’energia si accumula sul condensatore filtro a valle del raddrizzatore, aumentando la tensione ai suoi capi in tempi molto rapidi. Per evitare che aumenti troppo la tensione ai capi del condensatore è necessario installare un resistore di adeguate caratteristiche che venga inserito solo in caso di frenatura. Il valore della resistenza può
essere scelto in prima approssimazione come quello che, sotto la tensione raddrizzata di alimentazione, determina una corrente pari a quello nominale del motore. Nel nostro caso la resistenza deve avere un valore prossimo ai 10Ohm. La resistenza è posta in serie al tasto basso del terzo ramo del modulo, che rimane inutilizzato dal ponte ad H. Questo tasto è pilotato da un comparatore di tensione opportunamente retroazionato, in configurazione non invertente. Il comparatore è
alimentato a 24V (la stessa alimentazione dei driver dei gate), e la tensione di riferimento è 18V. La tensione di isteresi è di 1,8V, e la tensione di ingresso è ottenuta dalla tensione sul condensatore tramite un partitore resistivo 10:1. Con questa configurazione la resistenza di frenatura viene inserita quando la tensione supera i 198,4V e si disabilita quando scende sotto i 161,6V.
