Gotowa bibliografia na temat „Azionamento Elettrico”

L'oggetto della tesi consiste nella progettazione e realizzazione di un azionamento Dual Inverter a singola alimentazione per il controllo di macchine elettriche sincrone a pura riluttanza con centro stella aperto. La configurazione dell'azionamento prevede l’utilizzo di un solo pacco batteria collegato al primo inverter, mentre il secondo è direttamente alimentato da un condensatore flottante posizionato sul rispettivo bus DC; in altre parole, tale struttura può essere vista come un sistema alimentato da un singolo inverter con l’aggiunta di un compensatore della potenza reattiva di macchina. La configurazione studiata possiede le potenzialità per essere utilizzata sia in ambito automotive, che in applicazioni industriali. Tale sistema, oltre a migliorare lo sfruttamento del convertitore principale facendolo lavorare a fattore di potenza unitario, accresce il limite di tensione disponibile ai capi degli avvolgimenti della macchina a parità di tensione del pacco batterie e amplia la regione a coppia e a potenza costante, ritardando i deflussaggi per ottenere maggior coppia elettromagnetica ad elevate velocità. L'elaborato realizzato prevede una caratterizzazione sperimentale della macchina elettrica utilizzata, allo scopo di realizzare un sistema di controllo ottimizzato e una comparazione analitica tra l’azionamento dotato di singolo inverter e quello dotato di compensatore della potenza reattiva, per la verifica delle basi teoriche presenti in letteratura. Tutto ciò è stato poi confermato attraverso simulazioni in ambiente Simulink e prove sperimentali eseguite mediante sistema di prototipazione rapida dSPACE. L'azionamento è stato collaudato, testato e risulta essere funzionante per ogni valore del rapporto di tensione dei bus DC; dalle varie fasi del progetto sono stati ricavati risultati omogenei e concordi, che certificano l'efficienza del sistema e confermano la validità dei vantaggi dedotti dallo studio preliminare.

L’oggetto della tesi consiste nello studio e nella realizzazione di un’innovativa logica di controllo di un azionamento di tipo dual inverter a singola alimentazione per il controllo di macchine asincrone a centro stella aperto. Il sistema in esame è costituito da due inverter rispettivamente collegati a entrambi i capi degli avvolgimenti statorici della macchina e prevede la presenza di un'unica sorgente di alimentazione collegata ad un solo inverter. Il secondo inverter risulta invece chiuso su un banco di condensatori flottanti, nella tipica configurazione del filtro attivo. In questo lavoro si dimostrano i vantaggi relativi all’utilizzo di una specifica logica di comando che consiste nel far operare l’inverter di alimentazione in regime di sovramodulazione, sfruttando la caratteristica dell’altro di poter abbattere le armoniche indesiderate che tale regime introduce nelle forme d’onda delle grandezze elettriche di macchina. Lo studio è stato poi validato attraverso un ciclo di simulazioni iniziali in ambiente Simulink seguite da prove sperimentali eseguite su un sistema reale, mediante sistema di prototipazione rapida dSPACE, presente nel laboratorio LEMAD del Dipartimento di Ingegneria dell’Energia Elettrica e dell’Informazione dell’Università di Bologna.

Nel campo dell’automotive, negli ultimi anni, gli sviluppi sono stati consistenti: infatti sono state introdotte sul mercato molte novità, tra le quali vetture con propulsione elettrica o ibrida. Il controllo del motore termico durante il moto è studiato da moltissimi anni, mentre il controllo di un motore elettrico è tuttora in fase di continua ricerca e sviluppo. Infatti, con l’introduzione di tecniche vettoriali, si sono ottenuti notevoli miglioramenti a livello di qualità di utilizzo del motore elettrico stesso. In particolare, l’introduzione di un nuovo metodo di controllo che prende il nome di “controllo predittivo” cerca di ottimizzare ulteriormente la propulsione elettrica. Oggetto di studio in questa tesi è il controllo predittivo implementato per la regolazione delle correnti di statore in un motore brushless. Dopo una presentazione di carattere generale, che spazia dalle tipologie di vetture elettriche alle batterie utilizzate a bordo, passando dai vari tipi di propulsori elettrici verosimilmente utilizzabili, viene descritto, a livello teorico, il sistema utilizzato nelle simulazioni in questa tesi, prestando particolare attenzione alla macchina sincrona brushless a magneti permanenti ed al suo controllo vettoriale oltre che alla tecnica per un corretto deflussaggio. Successivamente sono descritti il controllo predittivo di corrente utilizzato nelle simulazioni, con un occhio di riguardo alla compensazione del ritardo di calcolo necessario per ottimizzare ulteriormente il controllo del motore di trazione elettrico, e la modellizzazione del veicolo elettrico ibrido in ambiente Simulink di Matlab, rimandando alle Appendici A e B per la eventuale consultazione dei codici implementati. Infine sono presentati i risultati ottenuti con vari tipi di prove per verificare se effettivamente il veicolo esegue ciò che è richiesto.

La complessità delle applicazioni di controllo affidate a sistemi embedded basati su architetture a μControllore è in continua crescita, ponendo sempre più in risalto le limitazioni dell’approccio di programmazione bare-metal, tipico per questa tipologia di dispositivi. La garanzia sul rispetto dei vincoli real-time ed il raggiungimento di un grado di astrazione del codice che permetta un accettabile livello di mantenibilità e flessibilità rendono auspicabile, se non necessario, l’impiego di un sistema operativo a cui affidare la gestione deterministica della molteplicità di processi concorrenti. In questa tesi si propone un sistema operativo hard real-time per il controllo di sistemi altamente dinamici, ottimizzato per un impiego efficiente delle limitate risorse computazionali disponibili in architetture a μControllore. La specificità dell’RTOS (Real-Time Operating System) proposto comporta una riduzione delle funzionalità, necessaria alla minimizzazione dell'overhead, in risposta alla quale si è sviluppato un ambiente di virtualizzazione in grado di eseguire, sulla medesima architettura uniprocessore, un sistema operativo ospite per la gestione non interferente del carico computazionale soft e non real-time. Al fine di validare l'approccio proposto si è applicata l'architettura di sistema ad un azionamento per il controllo sensorless di motori PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) emblematico esempio multitasking che unisce stringenti vincoli temporali all’elevata intensità computazionale.

Nella tesi sono stati studiati e analizzati due azionamenti elettrici basati su macchina asincrona per applicazioni di trazione elettrica. Gli obiettivi principali consistono nell'ampliare la regione di funzionamento a coppia costante e aumentare, quanto più possibile, la coppia elettromagnetica prodotta dalla macchina nelle regioni di deflussaggio, ad alta velocità. Il primo capitolo è dedicato allo studio della macchina asincrona alimentata da un inverter e all'analisi delle prestazioni limite. Nel secondo capitolo si è analizzata una configurazione dual inverter, dove due convertitori sono collegati alle estremità opposte dell'avvolgimento trifase di statore: il convertitore principale è alimentato da un pacco batterie, mentre il convertitore secondario è alimentato da un condensatore flottante e costituisce un filtro attivo in grado di compensare la potenza reattiva assorbita dalla macchina, garantendo un fattore di potenza unitario sull'inverter principale. Il terzo capitolo è dedicato allo sviluppo di una nuova configurazione dual inverter nella quale il secondo convertitore è alimentato da un condensatore flottante ed è posto in parallelo al primo.

L'elaborato descrive la progettazione, la gestione e il collaudo di una cabina elettrica per impianti industriali. Vengono descritti all'interno di essa l'impianto meccanico, gli azionamenti elettrici, i sensori e il quadro elettrico che ha il compito di alimentare e gestire tutti i componenti in campo. L'analisi e la progettazione descrivono tutto il processo partendo dalle specifiche ricevute fino al collaudo in cantiere

L'elaborato si pone l'obiettivo di sviluppare un azionamento sensorless per macchine asincrone multifase, affrontando il controllo sensorless di un motore asincrono a sette fasi. Tale tecnica di controllo si basa sulla stima della posizione e/o della velocità meccanica del rotore della macchina elettrica senza richiedere l'utilizzo di trasduttori di posizione e velocità, in modo da ridurre la complessità hardware, la necessità di manutenzione, il costo e l'ingombro dell'intero sistema, aumentandone inoltre l'immunità ai disturbi generati dall'acquisizione dei segnali provenienti dal trasduttore stesso a causa di interferenze elettromagnetiche ed errata taratura. Lo sviluppo di tale azionamento multifase è stato affrontato proponendone due differenti sistemi di controllo, simulati in ambiente Simulink ed implementati successivamente su DSP, di cui è stato analizzato il funzionamento nelle prove sperimentali. Il secondo sistema di controllo presentato ha permesso la chiusura dell'anello di velocità con la stima effettuata nello spazio 3, mostrando prestazioni dinamiche e a regime soddisfacenti, anche a bassa velocità. La realizzazione del primo sistema di controllo non è invece andata a buon fine a causa della piattaforma di calcolo utilizzata che, essendo a virgola fissa, non ha permesso di effettuare con sufficiente risoluzione i calcoli necessari al funzionamento del sistema.

Oramai, si sta assistendo all’avvento e all’affermarsi di una nuova tipologia di macchine con un numero di fasi diverso da quello tradizionale trifase (usualmente impiegato nella generazione e distribuzione dell’energia elettrica): la macchina elettrica multifase. Il campo di studio delle macchine multifase è un settore relativamente nuovo ed in grande fermento, ma è già possibile affermare che le suddette macchine siano in grado di fornire prestazioni migliori di quelle trifase. L’obiettivo principale di questo elaborato è quello di effettuare un’analisi comparativa tra due differenti architetture di azionamento: multi-trifase e multilivello. Tali azionamenti condividono, come base di partenza, la medesima tipologia di macchina elettrica, ovvero una macchina sincrona esafase con rotore a magneti permanenti superficiali, comunemente definita macchina brushless. Tuttavia, mentre la prima architettura (multi-trifase) prevede il controllo della macchina multifase tramite due inverter trifase a due livelli, ciascuno dei quali agisce su una sola delle due terne di avvolgimenti statorici, la seconda (multilivello) prevede, invece, l’impiego di un inverter trifase a tre livelli agente sulla macchina ricondotta ad una configurazione trifase equivalente.

Nell’ambito della presente tesi verrà descritto un approccio generalizzato per il controllo delle macchine elettriche trifasi; la prima parte è incentrata nello sviluppo di una metodologia di modellizzazione generale, ossia in grado di descrivere, da un punto di vista matematico, il comportamento di una generica macchina elettrica, che possa quindi includere in sé stessa tutte le caratteristiche salienti che possano caratterizzare ogni specifica tipologia di macchina elettrica. Il passo successivo è quello di realizzare un algoritmo di controllo per macchine elettriche che si poggi sulla teoria generalizzata e che utilizzi per il proprio funzionamento quelle grandezze offerte dal modello unico delle macchine elettriche. La tipologia di controllo che è stata utilizzata è quella che comunemente viene definita come controllo ad orientamento di campo (FOC), per la quale sono stati individuati degli accorgimenti atti a migliorarne le prestazioni dinamiche e di controllo della coppia erogata. Per concludere verrà presentata una serie di prove sperimentali con lo scopo di mettere in risalto alcuni aspetti cruciali nel controllo delle macchine elettriche mediante un algoritmo ad orientamento di campo e soprattutto di verificare l’attendibilità dell’approccio generalizzato alle macchine elettriche trifasi. I risultati sperimentali confermano quindi l’applicabilità del metodo a diverse tipologie di macchine (asincrone e sincrone) e sono stati verificate nelle condizioni operative più critiche: bassa velocità, alta velocità bassi carichi, dinamica lenta e dinamica veloce.
The Ph.D. work is focused on the development of a generalized method for controlling AC machines. The thesis is subdivided in three main sections. The first section presents the general method for modeling AC machines. Here is described the mathematical analysis that allows to describes the model of the main three-phase AC machine configurations using an unified approach. The second section describes a control algorithm for AC machines that is based on the exploitation of the characteristics and results given by the generalized model described in section one. This field oriented control algorithm (FOC) includes several advanced control strategies for improving dynamic performance and exploitation of the maximum torque all over the speed range of the AC drive. The third section collects the results of the experimental tests which are carried out for verifying the most important aspect of the proposed AC drives. First of all the precision and reliability of the proposed general model are presented, such as its parameter variation sensitivity. The performance of the full control system is then verified, especially during transients in many operating condition: low speed, high speed, low torque, and slow and fast dynamic. The experimental tests also demonstrate the control capability of the proposed system for different machine configurations (synchronous and asynchronous).