Chopper

5/16/2018 Chopper - slidepdf.com

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Chopper per motori cc a magneti permanenti

In queste note affronteremo lo studio degli azionamenti dei motori in cc a magneti permanenti che

utilizzano interruttori a semiconduttori. Tali circuiti detti anche chopper permettono il controllo

della velocità e della coppia dei motori cc. Vedremo prima due schemi base: il motore diretto cioè

l'azionamento nel quale coppia e rotazione sono concordi (1° quadrante) e la frenatura rigenerativa

(2° quadrante) che permette di recuperare in parte l'energia meccanica fornita al carico nella fase

precedente, senza dissiparla in calore per frenare il motore con le prestazioni dinamiche desiderate.

Passeremo poi ad azionamenti reali e più complessi, nei quali i funzionamenti, da motore e da freno,

sono possibili contemporaneamente sullo stesso schema circuitale.

Motore diretto (chopper in classe A)

In questo caso il motore è alimentato dal chopper di figura:

Nell'intervallo di chiusura dello switch S ( Tδ duty interval) all'armatura viene applicata la tensione

V dell'alimentatore. Nell'intervallo di apertura di S (1 – )T la corrente circola nell'armatura e nelδ

diodo D ( freewheeling interval). Le forme d'onda ideali in condizioni statiche della tensione e della

corrente d'armatura sono indicate nelle figure seguenti nel caso di conduzione continua o

discontinua:

Nel duty interval una parte dell'energia fornita dall'alimentatore V è convertita in energia

meccanica, una parte è persa in calore sulla Ra e sullo switch S e l'energia rimanente è

immagazzinata nell'induttanza La. Quest'ultima energia è responsabile del mantenimento della

corrente d'armatura anche nella fase di libera circolazione (dato che lo switch S è aperto). Quando

l'induttanza d'armatura è bassa e la corrente d'armatura è piccola l'energia immagazzinata può non

essere sufficiente per mantenere la corrente nella fase di ricircolo e si verifica appunto la

conduzione discontinua. Tuttavia, con i semiconduttori moderni operanti ad elevate frequenze,

questa condizione solitamente non si verifica.



Frenatura rigenerativa

Con il controllo a chopper è possibile ottenere la frenatura rigenerativa (detta anche a recupero) per

velocità anche prossime a zero con aumento del rendimento del sistema azionamento – motore. Ciò

è particolarmente utile nei sistemi alimentati a batteria.

Lo schema per la frenatura a recupero è mostrato in figura:

Esso usa un chopper in classe B. Le forme d'onda in condizioni statiche della tensione e della

corrente d'armatura sono mostrate nelle figure successive:

Lo switch S è chiuso per un periodo T e aperto per la parte restante del periodo T. Durante ilδ

primo periodo la Va vale zero e la corrente d'armatura, a causa della forza controelettromotrice E,

sale da Ia1 a Ia2. L'energia meccanica fornita dal carico e l'inerzia del sistema motore – carico (solo se

la velocità cambia) è convertita in energia elettrica. Essa è parzialmente convertita in energia

magnetica nell'induttanza d'armatura e la parte rimanente è dissipata nella resistenza d'armatura Ra

e

nel diodo D. All'inizio del secondo intervallo lo switch S viene aperto e l'energia accumulata in L a

viene parzialmente dissipata su Ra e sul diodo D, ma l'altra parte ritorna all'alimentatore ottenendo

cos ì la frenatura a recupero. La frenatura riduce la velocità e cos ì pure la fcem E. E' necessario

allora aumentare la durata della prima fase (aumentare ). Se l'induttanza d'armatura ha un valoreδ

sufficientemente alto si possono ottenere frenature a recupero anche con basse velocità ed eliminare

il fenomeno negativo della conduzione discontinua.



Controllo multiquadrante di motori cc a magneti permanenti con chopper

Il controllo multiquadrante di motori cc (azionamento rigenerativo) implica la frenatura

rigenerativa. Il controllo a catena chiusa della corrente è parte integrale dell'azionamento. Durante

le fasi transitorie ciò permette di non eccedere i valori max di corrente e ottenere la max velocità di

risposta. In questo paragrafo non mostreremo per semplicità l'anello di corrente e il filtro tra la

sorgente di alimentazione ed il chopper.

Controllo a due quadranti consistente in motore diretto e frenatura rigenerativa

Le operazioni in due quadranti implicano l'uso di un chopper in grado di dare una tensione positiva

e una corrente in due direzioni opposte. Gli schemi possibili sono due:

1. Chopper singolo con un interruttore d'inversione

Il chopper usato per motore diretto e quello per frenatura generativa si possono combinare per

ottenere quello di figura:

S è uno switch statico a semiconduttore (ad es. un BJT o un MOS di potenza) chiuso per un periodo

di durata Tδ e aperto per (1- )T, C è un interruttore manuale. Quando C è chiuso e S è inδ

commutazione si ottiene un circuito simile a quello già visto per il motore diretto. In queste

condizioni il terminale a è positivo rispetto a b. La frenatura rigenerativa nella direzione diretta si

ottiene quando C è aperto e la connessione d'armatura è invertita con l'ausilio di un commutatore

RT che permette al terminale b di diventare positivo rispetto ad a. Durante la chiusura dello switch S

la corrente del motore scorre attraverso un percorso costituito dall'armatura, lo switch S e il diodo

D1 , incrementando l'energia immagazzinata nell'induttanza del circuito d'armatura. Quando S è

aperto la corrente scorre attraverso l'armatura, il diodo D2 , l'alimentatore ed il diodo D1, restituendoperciò energia all'alimentatore.

Il passaggio da motore diretto a frenatura rigenerativa avviene secondo i seguenti passaggi:

Lo switch S va off e l'interruttore C viene aperto. Ciò forza la corrente d'armatura a fluire

attraverso il percorso indicato prima in frenatura.

Dopo un tempo adeguato la corrente va a zero e si inverte la polarità del motore con il

commutatore RT e si chiude nuovamente lo switch S per un T opportuno in modo daδ

iniziare la rigenerazione.



2. Chopper in classe C

In alcune applicazioni è necessaria una transizione dolce tra funzionamento da motore e da freno.

Per queste applicazioni si utilizza il chopper in classe C di figura:

Lo switch S1 e il diodo D1 costituiscono un chopper e S2 e D2 un altro. Ambedue i chopper sono

controllati simultaneamente sia come motore che come freno. Gli switch S1 e S2 sono chiusi

alternativamente. Bisogna prestare particolare attenzione affinché non ci siano cortocircuiti

sull'alimentatore (solitamente si introduce un breve ritardo tra turn-off e turn-on degli switch). Le

forme d'onda del circuito sono indicate nella figura seguente (trascurando i ritardi):

i segnali di controllo degli switch sono indicati con C1 e C2. Gli switch conducono con C1/C2

positivo. In questo circuito la conduzione discontinua è impossibile. Infatti la corrente può andare a

zero sia durante l'intervallo di ricircolo sia nell'intervallo di trasferimento di energia. In questo



circuito il ricircolo si verifica quando S1 è aperto e la corrente circola in D1. Ciò accade per t

compreso tra T e T; in questo intervallo S2 è chiuso e se la correnta d'armatura va a zero la fcem Eδ

fornisce una corrente inversa che circola in S2 per un intervallo di tempo finito. Allo stesso modo

quando S2 è off e D2 in conduzione (per t compreso tra zero e T) se la corrente va a zero S1δ

condurrà immediatamente perchè V > E.

Controllo a quattro quadranti – motore diretto ed inverso, frenatura rigenerativa diretta ed

inversa

3. Chopper in classe E

Gli switches S1 e S2 con i diodi D1 e D2 formano un chopper che permette di lavorare nei quadranti

1 e 4; Il secondo chopper permette le operazioni nei quadranti 2 e 3. Vedremo un metodo nel quale i

due chopper sono controllati simultaneamente.

Come prima i segnali di controllo sono indicati con Ic1, Ic2 ecc... e chiudono il relativo switch

quando sono positivi. Le forme d'onda per motore diretto e frenatura rigenerativa diretta sono

mostrate nei due diagrammi che seguono. Gli switches S1 e S2 ricevono i comandi con una

differenza di fase di T sec. S1 è chiuso nell'intervallo 0 - 2 T con = ton/2T. S2 invece è chiusoδ δ

nell'intervallo T - T+2 T. Gli switch S1 - S4 e S2 – S3 sono coppie complementari nel senso cheδ

gli switches di una coppia ricevono segnali di controllo alternativi. Di solito c'è un piccolo

intervallo di tempo tra la chiusura e l'apertura degli switches della stessa coppia per evitare la

conduzione contemporanea. Questo intervallo non è indicato nelle figure riportate. Nell'intervallo di

2T secondi che è anche il periodo di ogni switch, il chopper opera in quattro intervalli indicati con I,

II, III e IV. Le operazioni nel primo quadrante si possono spiegare cos ì:Nell'intervallo I, S1 e S2 conducono e il motore è sottoposto a una tensione positiva pari a V e la

corrente di armatura Ia cresce. Alla fine di questo intervallo S2 viene aperto. Nell'intervallo II S1 e

S3 vengono chiusi. Dato che il motore è attraversato da una corrente positiva essa fluisce nel

percorso D1 – S1. Va vale zero e la corrente Ia diminuisce. Lo switch S3 rimane off perchè D1 è

polarizzato inversamente dalla conduzione di D1 (se lo switch fosse un BJT non potrebbe comunque

condurre dato il verso della corrente). All'inizio dell'intervallo III viene chiuso S2. Ora Va vale V e

la corrente torna a salire. Alla fine dell'intervallo III S1 viene aperto. Nell'intervallo IV S2 e S4

sono chiusi. La corrente del motore scorre in S2 e D2 e S4 non conduce per lo stesso motivo del

caso precedente (analizzato per S3). Il motore diretto si ottiene quando Ia è positiva. Per passare alla

frenatura bisogna diminuire o incrementare E (la forma controelettromotrice del motore) affinchéδ

Va < E oppure Ia deve diventare negativa.



Motore diretto



Frenatura rigenerativa diretta

Nell'intervallo I S1 e S2 ricevono i segnali per condurre. La fcem E forza una corrente d'armatura

negativa attraverso D3 e lo switch S3. Durante questo intervallo Ia incrementa in modulo,

incrementando l'energia immagazzinata nell'induttanza d'armatura. S1 non conduce data la

contemporanea conduzione del diodo D3. Lo switch S3 viene aperto alla fine di questo intervallo.La corrente d'armatura è forzata attraverso il diodo D3, la sorgente d'alimentazione V e il diodo D4

e l'energia viene restituita all'alimentatore. Sebbene S1 e S2 ricevano i comandi per chiudersi,

rimangono aperti data la conduzione di D3 e D4. La tensione d'armatura vale V e la corrente Ia

scende. S4 è chiuso nell'intervallo III. La Ia scorre ora attraverso S4 e D4. Anche lo switch S2

riceve il segnale di controllo, tuttavia non conduce perchè D4 è in conduzione. Il modulo della Ia

sale ancora. S4 è spento alla fine dell'intervallo III. La corrente Ia è forzata ancora in D3,

l'alimentazione e il diodo D4 e l'enegia viene restituita ancora alla sorgente. Il motore inverso e la

frenatura rigenerativa associata si ottengono con compreso tra 0 e 0,5 per cui Va è negativa. Inδ

particolare il motore inverso si ottiene scegliendo in modo che Va >E (in modulo) e viceversa perδ

la frenatura.

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