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IL CIRCUITO DI POTENZA
Schema di principio Il motore destinato ad essere alimentato da questo azionamento ha una corrente nominale pari a 9A, ma può sopportare correnti di picco fino a 45A, ed ha una tensione nominale di 120Vdc.
Questo è un motore con buona dinamica, e per questo è stato preferito alimentarlo con un ponte ad H con IGBT come tasti di potenza, che offre prestazioni dinamiche superiori rispetto ad un tradizionale ponte ad SCR trifase. La tensione ai capi del ponte ad H deve essere superiore alla tensione nominale del motore di un buon 30% per assicurare una buona risposta transitoria del circuito di armatura. Quindi la tensione continua deve essere di circa 160Volt.
La tensione continua è generata da un ponte trifase a diodi, alimentato dalla rete tramite un trasformatore di isolamento ed un autotrasformatore a rapporto variabile (Variac).
Il trasformatore di isolamento consente di avere un buon filtraggio dei disturbi sulla tensione di rete, oltre a limitare l’immissione di armoniche in rete da parte dell’azionamento stesso. Attraverso il Variac è invece possibile variare l’ampiezza della tensione di alimentazione in modo tale da ottenere il valore di tensione raddrizzata desiderato.
Tensione di alimentazione Considerando le commutazioni sui diodi ideali il valore medio della tensione raddrizzata è pari a 2,34 volte il valore efficace della tensione di linea, quindi, se questa fosse 70V, la tensione raddrizzata teorica sarebbe di 164V. Ma c’è da considerare l’effetto del condensatore da 1000uF in uscita al ponte a diodi. Questo condensatore ha come effetto di diminuire l’ampiezza delle armoniche presenti sulla tensione in uscita dal ponte a diodi, oltre ad aumentare il valore medio della tensione stessa. Il valore istantaneo della tensione raddrizzata avrà l’andamento dei picchi di tensione in uscita dal ponte a diodi negli intervalli in cui la tensione concatenata a monte è maggiore di quella del condensatore, e nel resto quella del condensatore, che ha il tipico andamento esponenziale nel caso di carico ohmico induttivo. Il valore massimo della tensione concatenata è di circa 155V, e quindi a seconda dell’assorbimento di corrente da parte del ponte ad IGBT il valore medio della tensione raddrizzata varierà tra i 148V ed i 155V, a parte in caso di frenatura del motore, in cui, la tensione può raggiungere valori superiori. Ciò non toglie che in alcuni istanti la
tensione la tensione raddrizzata possa scendere sotto i 148V. Si ipotizza un valore di tensione di 155V ai capi del condensatore. Appena la tensione in uscita al ponte a diodi scende sotto i 155V, i diodi si interdicono lasciando il condensatore isolato dalla rete; quest’ultimo quindi fornisce energia al chopper scaricandosi, diminuendo la tensione ai suoi capi. Considerato che la forma d’onda della tensione di uscita del ponte a diodi ha una periodo di 3,3ms, è ragionevole determinare in 1,5ms il tempo massimo in cui i diodi sono interdetti ed il condensatore fornisce la carica necessaria all’alimentazione del chopper. Il condensatore da 1000uF a 155V ha 155mC di carica. Ipotizzando una corrente assorbita dal motore di 9A, la carica ceduta dal condensatore in 1,5ms sarebbe pari a 13,5mC, cioè l’8,7% della carica totale, che porterebbe la tensione del DC Bus ad assumere il valore di 141,5.
Parametri del controllo Quindi nelle condizioni di
funzionamento in cui il motore assorbirà più corrente la tensione raddrizzata subirà una diminuzione significativa. Questa variazione introduce un errore nel controllo. Il controllore agisce sulla tensione media del motore non
direttamente, ma variando il duty-cycle dei tasti di potenza, e lo fa con una funzione lineare, grazie all’ipotesi di aver supposto costante la tensione raddrizzata. Come appena visto, questa ipotesi non è perfettamente vera. Allora, per poter avere una precisione maggiore dell’azionamento sarebbe necessario che il controllo effettuasse una correzione al valore del duty-cycle inversamente proporzionale all’abbassamento della tensione raddrizzata. Si potrebbe pensare di applicare un coefficiente correttivo che dipenda dal valore di corrente assorbita dal motore, valore disponibile grazie alla sonda di corrente ad effetto Hall a bordo dell’azionamento. Ma in realtà tale coefficiente di correzione sarebbe valido solo negli istanti finali della scarica del condensatore e non più valido nei momenti in cui i diodi del ponte raddrizzatore conducono. Quindi tale coefficiente correttivo non apporterebbe un effettivo miglioramento della precisione dell’azionamento. Allora l’unico sistema valido sarebbe di mettere a disposizione del controllore la tensione effettiva ai capi del ponte ad IGBT attraverso un trasduttore di tensione. Nell’azionamento
realizzato però questa funzionalità non è stata implementata in quanto avrebbe aggravato i costi di realizzazione dell’azionamento senza avere apportare benefici tangibili per l’uso didattico del prototipo.
