L’argomento di questo lavoro di tesi rientra nell’abito dell’elettronica di potenza in quanto si propone la regolazione della tensione fornita da generatori a magneti permanenti, in applicazioni di tipo automotive. Il progetto propone la sintesi del sistema descritto e depositato nel Brevetto Internazionale WO 2009/004466 A2 con la predilezione, ove possibile, di hardware digitale, piuttosto che analogico. Prima di passare ad una più accurata descrizione dei vari blocchi che costituiscono il regolatore in esame, al fine di renderla più fruibile ed esplicativa, si daranno dei cenni ai principi di generazione della tensione da parte di un generico generatore a magneti permanenti e dell’attuale meccanismo di regolazione di tale tensione.
Riferimenti bibliografici: [12], [1], [13], [10], [8], [3], [4].
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L GENERATORE A MAGNETI PERMANENTI
Il generatore elettrico di un motore endotermico, detto alternatore, è fondamentalmente formato da due componenti: uno statore, sul quale sono presenti degli avvolgimenti ed un rotore, a sua volta costituito da un alternarsi di poli magnetici sud e nord, in numero compreso tra un minimo di 6 ed un massimo di 24, che creano un campo magnetico fisso rispetto allo stesso rotore. L’albero motore imprime una velocità angolare al rotore e con esso al campo magnetico, creando così la concatenazione del flusso del campo magnetico con le spire degli avvolgimenti dello statore. Questi hanno un verso di avvolgimento tale che, collegati in serie, permettono la somma di tutti i contributi di corrente indotti, e sono in numero pari a quello dei poli magnetici del rotore. Sull’uscita dello statore a vuoto, ossia in assenza di carico, sarà presente una forza elettromotrice (f.e.m.) indotta il cui valore, oltre ed essere linearmente dipendente dal numero delle coppie di poli magnetici, sarà legato alla velocità di rotazione dell’albero motore. Per la legge di Faraday la f.e.m. indotta è linearmente dipendete dalla derivata del flusso concatenato con gli avvolgimenti. Poiché questo flusso, a seguito della rotazione, ha un andamento sinusoidale,
l’ampiezza massima della f.e.m. indotta sarà direttamente proporzionale alla velocità angolare del rotore.
La forma d’onda in uscita dallo statore è tendenzialmente sinusoidale e dipende dalla configurazione e dalla struttura delle espansioni polari, che i costruttori tendono a sagomare opportunamente affinché l’uscita sia quanto più simile ad una sinusoide ideale.
Figura 0.1 – Struttura schematica di un generatore a magneti permanenti.
La frequenza dell’uscita del generatore sarà anch’essa legata al numero di coppie polari ed alla velocità di rotazione del rotore e per la precisione, indicando con p il numero di coppie polari e con la velocità angolare espressa in giri/minuto, la frequenza della sinusoide in uscita è data dalla seguente espressione:
(0.1)
60
p
f
.Ipotizzando in uscita una sinusoide ideale un generatore di questo tipo fornisce al carico una tensione pari a
(0.2)
V
mo
p K
a
sin 2
f t
,dove Ka è una costante che dipende dalla configurazione del sistema
poli-avvolgimenti.
A questo punto è evidente che, se l’utilizzatore ha bisogno di un’alimentazione che abbia un valore efficace costante, come nel caso dei carichi resistivi in applicazioni automotive (fari, spie, frecce), si presenta il bisogno di un meccanismo di regolazione che permetta di pilotare correttamente il carico.
I
L COMPITO DEL REGOLATORE
La funzione del regolatore è quindi quella di mantenere nei limiti prestabiliti la tensione efficace ai capi del carico in modo da rispettarne le specifiche di alimentazione. La soluzione comunemente usata prevede l’inserimento di un interruttore in parallelo al generatore, aperto e chiuso alternativamente per intervalli di tempo tali da tenere il valore efficace della tensione ai capi del carico nel range stabilito. Lo schema di principio di tale soluzione è riportato nella seguente figura.
Lg Rg SW Sistema di controllo Rload -+ Vg
Vg = tensione del generatore ideale
Rg = resistenza interna del generatore
Lg = induttanza interna del generatore
Rload = utilizzatore
SW= interruttore
Figura 0.2 – Schema di principio di un regolatore parallelo e tabella descrittiva delle
grandezze interessate, alle quali si farà riferimento anche nel seguito dell’elaborato.
La regolazione parallelo appena descritta (regolazione di tipo shunt) è intuiva dal punto di vista funzionale e di semplice realizzazione; di contro, proprio il metodo della parzializzazione dell’onda, su cui si basa, rappresenta il suo più grosso difetto.
Cortocircuitare il generatore ha da una parte l’effetto di limitare la tensione sul carico, ma dall’altra produce un forte sovraccarico per l’avvolgimento del motore a causa della corrente che scorre senza soluzione di continuità all’interno del circuito. La potenza elettrica fornita dal generatore, come conseguenza del bilancio energetico del sistema, viene sottratta alla potenza meccanica erogata dal motore. Poiché nella regolazione parallelo, all’interno del circuito è sempre presente una corrente, la decurtazione della potenza meccanica sarà notevole.
Limitandoci alle sole problematiche elettriche conseguenti alla regolazione parallelo, si nota che la dissipazione di grandi quantità di potenza sull’interruttore, che per effetto joule equivale a dire la necessità di smaltimento di ingenti quantitativi di calore, nonché la presenza di elevate correnti che comporteranno un sovradimensionamento del circuito, rendono poco appetibile questa soluzione. Fatto rimarchevole connesso ai problemi in questione è che si presentino non in fase di erogazione di potenza all’utilizzatore, bensì in fase di riposo. Sfruttare buona parte delle risorse nella fase in cui non viene fornita alcuna potenza al carico e trovarsi a
realizzare, inoltre, un circuito che potrebbe non rientrare negli standard automotive, molto stringenti in termini di resistenza alle sollecitazioni meccaniche e di temperature di utilizzo, rendono non ottimale la scelta di questa soluzione. Per sottolineare ulteriormente la gravità delle problematiche sopra esposte si riporta di seguito un grafico che evidenzia le principali cause di rottura dei dispositivi nell’ambito delle applicazioni di meccanica aerospaziale.
Figura 0.3 – Cause di guasto nei circuiti elettronici (U.S. Air Force – Avionics Integrity
Program).
L
E INNOVAZIONI DEL
B
REVETTO
WO
2009/004466
A2
Differenziandosi notevolmente dallo stato dell’arte della regolazione il Brevetto in esame prevede una soluzione con un maggiore grado di complessità che permette di ridurre notevolmente i due problemi sopra evidenziati (la dissipazione di calore per effetto joule e la perdita di potenza meccanica). Lo schema di principio è quello proposto nella seguente figura: il punto di forza di questa configurazione sta nella posizione degli interruttori, non più in parallelo, bensì in serie al generatore. Quando si vuole parzializzare la tensione sul carico, vengono aperti entrambi gli interruttori così che il generatore risulta scollegato dal resto del circuito; il fluire della corrente viene così interrotto per un opportuno intervallo temporale e questo
comporta una vantaggiosa riduzione della richiesta di potenza elettrica, che si traduce in un aumento delle prestazioni del veicolo e in una riduzione dei consumi. Una riduzione di potenza meccanica porta con se un ulteriore vantaggio: la diminuzione del calore prodotto per effetto joule.
Vmo Lg Rg Ds- Ds+ SWs+ Sistema di controllo Rload SWs -+ Vg
Vmo = tensione d’uscita del generatore a magneti permanenti;
Ds+ = diodo per la conduzione della semionda positiva;
Ds-= diodo per la conduzione della semionda negativa;
SWs+ = interruttore per la conduzione della semionda positiva;
SWs+ = interruttore per la conduzione della semionda negativa;
Figura 0.4 – Schema di principio del funzionamento di un regolatore serie e tabella
descrittiva delle grandezze interessate, alle quali si farà riferimento anche nel seguito dell’elaborato.
Confrontando gli schemi di figura 0.2 e figura 0.4 si nota subito la differenza di complessità tra le due soluzioni; prima tra tutte il fatto che nella soluzione serie gli interruttori sono flottanti, ossia non hanno un terminale ancorato a massa, e questo comporta una notevole difficoltà nel pilotarli, come si vedrà in seguito. Nel regolatore serie ci sono due interruttori, uno per consentire la circolazione della corrente durante la semionda positiva e l’altro per la conduzione nella semionda negativa. Gli interruttori lavorano in coppia con due diodi: il diodo DS+, che consente
il passaggio della corrente nella semionda positiva, è posto in parallelo all’interruttore SWS- così che durante la semionda positiva, in cui si ha una
configurazione con SWS+ chiuso e SWS- aperto, il circuito risulta comunque chiuso e
parallelo a SWS+ chiude il circuito nella semionda negativa. In figura è riassunto il
funzionamento appena descritto.
Lg Rg -+ Vg Lg Rg Ds- Ds+ SWs+ Rload SWs-Ds- Ds+ SWs+ Rload SWs -+ Vg
Figura 0.5 – Rappresentazione schematica del funzionamento del regolatore serie: è visibile
il percorso della corrente durante la semionda positiva (in alto) e quella negativa (in basso).
In caso di regolazione passiva, quando cioè il generatore non riesce ad erogare al carico la tensione efficace desiderata, entrambi gli interruttori sono chiusi, così da permettere uno scambio diretto e continuo di potenza dal motore all’utilizzatore. Un anello di reazione che legge il valore efficace della tensione sul carico inizia a pilotare l’apertura e la chiusura degli interruttori non appena tale valore supera il livello di riferimento (regolazione attiva).
