CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
36
Capitolo 2
Descrizione del banco di flussaggio
2.1 Introduzione
L’utilizzo dei banchi di flussaggio costituisce un mezzo fondamentale
per la conoscenza dei fenomeni fluidodinamici presenti nei motori a
combustione interna.
Nei più comuni banchi di flussaggio il flusso viene generato da un
ventilatore, o da una pompa a seconda se si adotta aria o acqua come
fluido operante, che sostituisce una delle funzioni del pistone, che
comunemente non è presente in questa categoria di banco prova.
Esistono, però particolari applicazioni, dove il flusso è generato
direttamente dal pistone, che tramite l’albero motore, viene trascinato da
un motore elettrico o da una qualsiasi forza motrice “configurazione
motored”, o dal normale funzionamento del motore “configurazione
firing”.
Un’ulteriore classificazione del banco di flussaggio è fatta in base al
moto delle valvole di aspirazione, in particolare, se l’altezza delle
valvole è fissata durante il processo di misura si ha un banco di
flussaggio stazionario, mentre se tale altezza varia nel tempo, grazie ad
esempio all’ausilio dell’albero a camme trascinato da un motore
elettrico, si parla di banco di flussaggio non stazionario.
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
37
Attualmente lo scopo principale dei banchi di flussaggio è quello di
massimizzare la portata d’aria in aspirazione, valutando l’efficienza
fluidodinamica del sistema. A tale scopo vengono utilizzati dei
coefficienti di efflusso, Cd ( di scarico) e Cf ( di flusso).
2.2 Componenti principali di un banco di flussaggio
In questa sezione sarà descritta la struttura generale di un banco di
flussaggio, elencandone i componenti più comuni. Inizialmente si farà
riferimento ai banchi di tipo stazionario. La componentistica di base è
riportata nello schema che segue.
Figura 2.1
Schema di un banco di flussaggio
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
38
In riferimento alla figura precedente, i principali componenti sono:
1. Ventilatore (o pompa) per la generazione della depressione
all’interno del cilindro;
2. Valvola di by-pass per la parzializzazione della portata;
3. Flussometro per la verifica della portata;
4. Manometro differenziale per la valutazione della depressione
presente nel cilindro rispetto all’ambiente esterno;
5. Scatola di misura;
6. Cilindro;
7. Testa;
8. Sistema di regolazione dell’alzo valvole.
Va precisato che sia il cilindro che la testa riproducono fedelmente la
geometria del motore sotto esame, il cilindro deve comunque essere
provvisto di un accesso ottico per la sonda laser se si desidera effettuare
misure di velocità all’interno di esso.
2.3 Il banco di flussaggio dell’Unical
Il banco di flussaggio presente nel Laboratorio di Motori a Combustione
Interna dell’Università della Calabria è stato realizzato inizialmente
come stazionario. Successivamente durante il presente lavoro di tesi,
sono stati installati componenti aggiuntivi tali da renderlo instazionario.
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
39
In questo paragrafo vengono brevemente descritti i componenti
preesistenti del banco di flussaggio. Il banco in modalità stazionaria, è
costituito dalle seguenti parti:
1. un ventilatore per la generazione del flusso;
2. un sistema di parzializzazione del flusso;
3. un sistema di misurazione di portata;
4. un plenum;
5. un sistema di posizionamento della sonda laser;
6. un generatore di fumo.
Il generatore di flusso è costituito da un ventilatore modello PZ80 da 5,5
kW della DYNAIR, posto esternamente alla sala prove per problemi di
spazio e di rumorosità (fig. 2.2).
Figura 2.2
Generatore di flusso
Il collegamento pneumatico tra il ventilatore e l’interno della sala prove
è stato realizzato mediante un tubo in PVC spiralato della LUISIANA
con diametro pari a 120 mm, questo componente presenta inoltre elevate
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
40
caratteristiche meccaniche e scabrosità tale da minimizzare le perdite di
carico.
Il sistema di parzializzazione della portata è indispensabile al fine di
assicurare una portata pari a quella delle condizioni di progetto, inoltre
permette la massima elasticità funzionale, garantendo la possibilità di
eseguire misure in diverse condizioni operative.
Il componente principale del sistema è la valvola di by-pass, che
permette di regolare la portata passante nel sistema di aspirazione.
Figura 2.3 Valvola di By-pass
La depressione ottimale viene misurata attraverso un manometro
differenziale, che nel nostro caso è costituito da un tubo ad U contenente
acqua distillata. Un’estremità del tubo è a diretto contatto con l’ambiente
esterno, mentre l’altra con il cilindro in esame, in modo da ottenere
immediatamente il salto di pressione tra l’esterno e il cilindro.
In tal modo l’operatore esegue un controllo di feedback, utilizzando il ∆p
letto e agendo sulla valvola di by-pass in modo da ottenere il salto di
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
41
pressione desiderato. A ridosso del manometro principale ne è stato
collocato un secondo con lo scopo di misurare le perdite di carico
all’ingresso del sistema.
Figura 2.4 Manometri differenziali presenti in laboratorio
Il sistema di misurazione della portata è costituito da due organi, un
sensore primario investito dal flusso, ed un trasduttore secondario che
misura il ∆p corrispondente. Il sensore primario è costituito da un
Venturi rovesciato o V-CONE, che a differenza di un classico Venturi,
convoglia mediante un cono il flusso dal centro alla periferia. La scelta
del V-CONE rispetto ad un venturimetro classico riduce il rumore
all’interno del flusso. La relazione che lega la portata volumetrica al
salto di pressione è data da [11]:
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
Qv = K ⋅ Y
∆P
42
(2.0)
γ
dove :
K è una costante dipendente dal misuratore;
Y è il fattore di espansione dei gas;
γ è il peso specifico.
Nell’utilizzo del venturi rovesciato viene comunemente impiegata la
seguente relazione:
K=
π
4
2g
D2β 2
1− β 4
Cd
(2.1)
dove:
β è il rapporto di strozzamento, ovvero il rapporto tre il diametro di gola
e il diametro del condotto D;
Cd è il coefficiente di efflusso dello strumento determinato per mezzo di
una calibrazione ad acqua.
Il trasduttore secondario è costituito da un manometro differenziale
digitale della MERIAM Instrument, che fornisce un valore istantaneo
del salto di pressione espresso in cm H2O.
L’utilizzazione di questo strumento è necessaria per misurare con buona
precisione la caduta di pressione attraverso il flussometro (fig. 2.5).
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
43
Figura 2.5 Manometro digitale
Il plenum è costituito da un corpo cilindrico all’interno del quale sono
stati ricavati i quattro cilindri del motore.
Figura 2.6 Plenum
In figura-2.6 è possibile osservare inoltre l’interfacciamento tra il
generatore di flusso ed il sistema di aspirazione, dove la tenuta è
assicurata da un anello O-RING.
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
44
La parte superiore ha la funzione di sostenere la testa in esame, mentre
sul lato sono stati praticati dei fori che comunicano direttamente coi
cilindri, in modo da poter collegare il manometro differenziale e
misurare la depressione nelle camere di combustione.
Figura 2.7 Collegamento del manometro differenziale al quarto cilindro
Il sistema d’allineamento della sonda laser è costituito da un organo
statico di tipo fotografico, dotato di un carrello alla base che permette
ampi spostamenti. Un’ulteriore sistema di regolazione, ancora per ampi
spostamenti, è costituito da un braccio mobile dotato di una schiera
dentata, che mediante l’ausilio di una manopola, permette la traslazione
con sensibilità pari al passo tra i denti.
Il braccio termina con un organo in grado di far fronte a spostamenti
angolari, su cui è calettata una slitta che sostiene la sonda. Tale slitta è in
grado di compiere spostamenti bidimensionali di grande precisione,
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
45
grazie all’utilizzo di viti micrometriche. Infine la sonda è dotata di un
sistema di traslazione verticale che ne assicura lo spostamento lungo la
terza dimensione e di un sistema di rotazione.
Figura 2.8 Sistema di puntamento laser
Il generatore di fumo è di tipo commerciale, si tratta del generatore 2010
della Safex (fig. 2.9). La nebbia è generata attraverso l’evaporazione
forzata del fluido di lavoro, si tratta di un liquido a base d’acqua
derivante da alcool polifunzionali per uso alimentare, che sono diluiti
con acqua e purificati tramite filtraggio ultravioletto a doppia osmosi
invertita.
Le particelle prodotte presentano un diametro medio dell’ordine di 1 µm,
e la loro dimensione può essere ritenuta costante, questa caratteristica
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
46
risulta fondamentale al fine di ottenere buoni risultati, poiché viene
assicurata un’uniformità nel processo di scattering.
Figura 2.9 Generatore di fumo
2.4
Realizzazione del banco di flussaggio non stazionario
La realizzazione di un banco non stazionario, prevede la presenza di
organi mobili atti a variare ciclicamente la posizione delle valvole di
aspirazione durante il periodo di misura. Risulta evidente che i risultati
ottenuti in banchi instazionari rispecchiano fedelmente il fenomeno
reale, poiché si tiene conto degli effetti dinamici delle valvole.
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
47
Come nei più comuni motori a combustione interna commerciali, il moto
delle valvole è stato affidato ad un albero a camme, che non viene
trascinato direttamente dall’albero motore, ma da un motore elettrico in
corrente alternata.
Figura 2.10 Albero a camme modificato
La testa del motore in esame, di tipo commerciale, è prodotta dalla FIAT
ed equipaggia la Grande Punto 1.4 benzina. Le caratteristiche del motore
sono riportate nella tabella seguente.
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
48
Tabella 2.1 Dati caratteristici del motore a combustione interna
L’albero a camme commerciale (fig. 2.10) è stato modificato eliminando
le camme relative alle valvole di scarico che vengono mantenute chiuse
durante tutto il processo di misura.
La necessità di ottenere un sistema versatile, capace di assicurare
velocità variabili dell’albero a camme ha richiesto l’installazione di un
inverter. Infine, poiché durante il processo di misura è necessario
conoscere la posizione dell’albero a camme per determinare le fasi del
motore, è stato necessario installare un encoder optoelettronico.
Riassumendo i principali componenti aggiuntivi per la realizzazione del
banco instazionario sono i seguenti:
1. motore asincrono trifase;
2. inverter;
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
49
3. encoder.
Di seguito verranno in breve descritti i vari componenti.
2.4.1 Motore asincrono trifase
Il motore asincrono trifase (MAT) venne per la prima volta realizzato da
Galileo Ferraris nel 1885. Esso viene alimentato direttamente dalla rete e
rappresenta il motore elettrico più semplice, economico, robusto ed
affidabile che la tecnica conosca. I vantaggi principali del MAT sono
principalmente legati alla sua facilità di avviamento, alla assenza di
manutenzione, nonché al suo alto rendimento e alla assenza di
lubrificazione.
Rappresenta
quindi
il
dispositivo
più
diffuso
nell’utilizzazione dell’energia elettrica come forza motrice.
Il MAT installato nel Laboratorio di Motori a Combustione Interna
dell’Università della Calabria, presenta una potenza nominale di 4 kW,
adatto quindi allo scopo di trascinare l’albero a camme che garantisce il
moto delle valvole (fig. 2.11).
Figura 2.11 Motore asincrono trifase presente in laboratorio
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
2.4.1.1
50
Principio di funzionamento
Il principio di funzionamento di qualsiasi motore elettrico si basa sulle
applicazioni delle forze che si esercitano tra elettromagneti e correnti. In
particolare, per comprendere i fenomeni che caratterizzano il
funzionamento del MAT è utile passare all’analogia di una spira
immersa in un campo magnetico rotante.
È noto infatti che un conduttore in moto in un piano ortogonale alle linee
di un campo magnetico risulti percorso da una corrente indotta, che
genera a sua volta una forza elettromotrice ai capi del conduttore. Prima
di passare all’analisi del campo magnetico rotante è utile fare qualche
considerazione sul campo magnetico generato da una spira.
Si consideri la spira percorsa dalla corrente i(t) rappresentata in figura
2.12, immersa in un mezzo a permeabilità costante come ad esempio
l’aria. Ad essa risulta associato un insieme di linee di forza sia per il
vettore di campo magnetico H , che per il vettore di induzione magnetica
B = µ H . In particolare il campo magnetico al centro della spira ha una
ben determinata intensità funzione della corrente i(t) e del raggio medio
della spira Rm :
H (t ) =
N ⋅ i (t )
2 Rm
dove N è il numero di avvolgimenti della spira.
(2.2)
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
51
Figura 2.12 Schematizzazione del campo magnetico di una spira
Se la corrente che percorre la spira è di tipo sinusoidale, allora anche il
campo magnetico risulterà avere lo stesso andamento [8]:
H (t ) =
N ⋅ IM
sen(ωt ) = H M sen(ωt )
2 RM
(2.3)
Consideriamo ora tre avvolgimenti sfasati di 120° tra loro, se vengono
percorsi da corrente si indurranno dei campi magnetici in direzione
ortogonale alle spire come mostrato in figura 2.13.
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
52
Figura 2.13 Campi magnetici ottenuti dalle correnti nelle tre spire sfasate di 120°
Se si suppone che le spire siano alimentate dalla terna trifase di correnti :
⎧i (t ) = I 2 sen(ωt )
⎪1
⎪
⎨i2 (t ) = I 2 sen ωt − 2π 3
⎪
⎪i3 (t ) = I 2 sen ωt − 4π 3
⎩
(
(
)
)
(2.4)
la (2.4) è una terna diretta che gode della seguente proprietà [8]:
i1 (t ) + i2 (t ) + i3 (t ) = 0, ∀t .
(2.5)
Con riferimento alla figura 2.13 ed alla relazione (2.2), possiamo
scrivere:
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
⎧
⎪
⎪ H 1 = −λ ⋅ i1 (t ) yˆ
⎪
⎛
3
1 ⎞
⎪
xˆ + yˆ ⎟⎟
⎨ H 2 = λ ⋅ i2 (t )⎜⎜ −
2 ⎠
⎝ 2
⎪
⎪
⎪ H 3 = λ ⋅ i (t )⎛⎜ 3 xˆ + 1 yˆ ⎞⎟
3
⎜ 2
⎪
2 ⎟⎠
⎝
⎩
con λ =
53
(2.6)
N
.
2 Rm
La (2.6) descrive i campi prodotti delle tre spire poste a 120°.
Considerando quindi di alimentare le spire con correnti del tipo (2.4), il
campo prodotto dalle tre spire è dato dalla sovrapposizione dei tre
contributi:
H = H1 + H 2 + H 3
(2.7)
Sviluppando la (2.7) con riferimento alle (2.6) e (2.4) otteniamo
l’espressione del campo magnetico rotante:
H = H 0 [xˆ cos(ωt ) − yˆ sin (ωt )]
in cui
H0 =
(2.8)
3
λI 2 .
2
La (2.8) rappresenta quindi l’espressione del campo rotante, ottenuto
come sovrapposizione del campo delle spire poste a 120° alimentate da
correnti sinusoidali opportunamente sfasate. In figura 2.13 è riportata
una rappresentazione della (2.8) in quattro istanti di tempo, distanziati da
un quarto di periodo T:
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
54
Figura 2.14 Campo magnetico rotante
Descritto il campo magnetico rotante, torniamo alla descrizione del
principio di funzionamento di un MAT che fa appunto riferimento ad
una spira immersa in tale campo. Nel caso particolare in cui il campo e la
spira e quindi la corrente, sono perpendicolari, si originano forza di tipo
elettromagnetico esprimibile come [8]:
F = iLB
(2.9)
con:
B induzione magnetica espressa in tesla;
L lunghezza dei conduttori, in metri;
i la corrente espressa in ampere.
Consideriamo quindi una spira posta ortogonalmente alle linee di campo,
imperniata al centro e libera di ruotare, come mostrato in figura 2.15.
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
55
Figura 2.15 Spira immersa in un campo magnetico rotante
La spira sarà quindi sede di induzione elettromagnetica, tranne nel caso
in cui essa ruoti con la stessa velocità del campo. Nel caso di spira ferma
si avrà che il campo magnetico concatenato con essa risulta essere,
essendo il campo di induzione uniforme e rotante con velocità ω0,
variabile nel tempo con legge sinusoidale di pulsazione ω0. Questa
variazione di flusso indurrà una forza elettro-motrice nella spira chiusa,
con conseguente circolazione di una corrente, anch’essa sinusoidale di
pulsazione ω0, che per la legge di Lenz, avrà verso tale da opporsi alla
causa che l’ha generata, cioè al moto relativo tra campo magnetico e
spira. La corrente indotta tenderà ad annullare l’entità di questo moto
relativo, cioè, per effetto delle forze elettromagnetiche cui è soggetta la
spira, tenderà a far ruotare la spira nello stesso verso del campo rotante:
ecco dunque l’effetto motore, illustrato in figura 2.15.
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
56
Figura 2.16 Generazione della coppia motrice nel motore asincrono
2.4.1.2
Struttura generale
Il motore asincrono è costituito principalmente da due parti di forma
cilindrica coassiali: una parte esterna, fissa, detta statore, ed una interna
mobile detta rotore. In particolare nella figura 2.16, si notano i seguenti
dettagli:
1. albero con chiavetta;
2. anello della gabbia;
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
57
3. sbarra di rame;
4. morsettiera;
5. ventola di raffreddamento;
6. spaccato delle matasse degli avvolgimenti di statore;
7. spaccato del circuito magnetico statorico;
8. pacco del circuito magnetico rotorico;
9. alette di raffreddamento della carcassa esterna.
Figura 2.17 Spaccato di un motore asincrono a gabbia
Lo statore è formato da un pacco di lamierini di ferro al silicio, tagliati a
forma di corona circolare, nella cui periferia interna è ottenuta una serie
di cave, nelle quali è sistemato un avvolgimento trifase.
Anche il rotore è realizzato da un pacco di lamierini di ferro al silicio a
forma di corona circolare, nella cui periferia esterna vi è ancora una serie
di cave in cui si trova l’avvolgimento secondario o indotto. Essendo il
rotore collegato nell’interno dello statore, cave statoriche e rotoriche
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
58
risultano tra loro affacciate e separate da uno spessore d’aria uniforme
detto traferro. Lo spessore del traferro è sempre il minimo possibile,
compatibilmente con la libera rotazione del rotore, nei motori di
dimensioni ridotte è dell’ordine dei decimi di millimetro, mentre nei
motori di grande taglia è dell’ordine del millimetro.
L’avvolgimento dell’indotto può essere realizzato in diversi modi,
principalmente si ha il rotore avvolto o ad anelli ed il rotore a gabbia di
scoiattolo, che è di gran lunga il più comune, di cui una rappresentazione
è riportata in figura.
Figura 2.18 Rotore a gabbia di scoiattolo
2.4.1.3
Grandezze di interesse e Curve caratteristiche
La grandezza fondamentale di un MAT è lo scorrimento, espresso dalla
seguente relazione:
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
s=
n0 − n 2
n0
59
(2.10)
dove :
n0 è la velocità del campo magnetico rotante;
n2 è la velocità in giri al minuto del rotore, mentre n0-n2 rappresenta la
velocità relativa tra il campo magnetico rotante ed il rotore.
La potenza apparente assorbita dalla linea elettrica da parte del MAT è
esprimibile come:
A = P + jQ = 3V1 I 1
(2.11)
dove Q è la potenza reattiva e P la potenza attiva, data dalla relazione:
P = 3V1 I 1 cos(ϕ1 )
(2.12)
dove φ è lo sfasamento tra tensione e corrente nel circuito primario.
La potenza utile trasmessa all’albero motore, è minore di quella assorbita
dalla rete, poiché vi sono delle perdite, quali, perdite nel ferro, per
correnti parassite, per isteresi, meccaniche ecc.
Quindi la potenza utile può essere espressa in funzione dello
scorrimento:
PU = 3R2
1− s 2
I 2 s = (1 − s )PT
s
(2.13)
dove PT è la potenza trasmessa dal campo magnetico rotante all’indotto.
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
60
Quindi la potenza utile, a parità di PT, è tanto maggiore quanto minore è
lo scorrimento, da ciò la necessità che i MAT funzionino a velocità
molto prossime a quelle di sincronismo.
Un’altra grandezza di interesse è la coppia motrice disponibile all’albero
motore, che è espressa dal rapporto tra la potenza utile e la velocità di
rotazione:
CU =
PU
ω
=
(1 − s )PT PT
=
ω 0 (1 − s ) ω 0
= CT
(2.14)
quindi la coppia resa all’albero assume lo stesso valore della coppia
trasmessa.
La relazione tra la coppia e lo scorrimento può essere espressa anche
facendo riferimento al circuito equivalente, che non è stato trattato
poiché una trattazione approfondita dei MAT esula dal presente lavoro di
tesi, in tal caso si fornisce la relazione:
R21
3p 2
s
C=
V1
2
ω1
R21 ⎞
⎛
2
R
+
⎜ 1
⎟ + XT
s ⎠
⎝
(2.15)
che rappresenta l’espressione della caratteristica meccanica del motore,
che come detto lega la coppia allo scorrimento; in figura 2.19 ne è stata
tracciata una rappresentazione.
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
61
Figura 2.19 Caratteristica meccanica del MAT
2.4.1.4 Regolazione di velocità
Uno dei pochi svantaggi del MAT rispetto ad altri tipi di motori, è la
caratteristica di conservare pressoché costante la velocità al variare del
carico. In molti casi, come nel presente lavoro, è necessario invece
variare la velocità in ampi range, da ciò la necessità di opportune
modifiche.
La velocità dell’albero è esprimibile dalla:
n=
60 f
(1 − s )
p
dove p è il numero di coppie polari.
(2.16)
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
62
Per cui per variare la velocità di un MAT, occorrerà variare o il numero
di coppie polari, o lo scorrimento, o la frequenza della linea di
alimentazione.
Lo scorrimento può essere variato inserendo ulteriori resistenze in serie a
quelle rotoriche, mentre il numero di coppie polari, utilizzando un
particolare tipo di configurazione della gabbia di scoiattolo. È evidente
che sia la variazione di p che di s, comporti complicazioni funzionali
notevoli, poiché è necessario agire direttamente sulla macchina e
comunque la regolazione di velocità è di tipo discreto.
Una soluzione molto più efficace è quella di variare la frequenza di
alimentazione tramite un inverter, che tra l’altro permette una
regolazione
continua
della
velocità.
Quest’ultima
soluzione,
rappresentata nelle figura 2.20, è stata adottata in laboratorio al fine di
regolare la velocità, in modo da ottenere misure in differenti condizioni
operative.
Figura 2.20 Variazione di velocità mediante l'utilizzo di un inverter
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
2.4.2
63
Inverter
Nel laboratorio di Motori a Combustione Interna dell’Università della
Calabria è stato installato (successivamente al motore asincrono trifase)
un inverter, che permette il controllo di velocità. Si tratta di un
convertitore statico da 30 kW, mostrato in figura 2.20, il cui
funzionamento verrà in breve descritto nei prossimi paragrafi.
Figura 2.21 Inverter presente in laboratorio
2.4.2.1
Principio di funzionamento
Come precedentemente detto, il modo più pratico, flessibile ed efficace,
per controllare la velocità di un motore asincrono trifase, consiste
nell’utilizzare un inverter. Negli inverter viene attuata una doppia
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
64
conversione, ovvero, all’ingresso la corrente trifase della rete di
alimentazione viene convertita in corrente continua, ed all’uscita la
corrente continua viene riconvertita in alternata a tensione e frequenza
variabili.
Gli inverter sono quindi costituiti da un ponte raddrizzatore, che effettua
la conversione AC/DC, e da un ponte trifase a semiconduttori
controllabili per la trasformazione inversa DC/AC. Con l’impiego di
inverter si può realizzare una variazione continua di velocità a coppia
costante, da pochi giri al secondo fino alla velocità nominale del motore,
che può essere addirittura superata se la frequenza di uscita all’inverter
viene aumentata al di sopra dei 50 Hz, frequenza nominale del motore.
Gli inverter più comuni nel campo degli azionamenti elettrici di potenza
sono i PWM a tensione impressa, di cui uno schema è riportato nella
figura seguente.
Figura 2.22 Schema tipico del circuito di potenza di un inverter a tensione impressa PWM
L’alimentazione trifase è convertita in tensione continua mediante un
ponte raddrizzatore a diodi, e filtrata attraverso l’induttanza L ed il
condensatore C. La tensione continua viene poi inviata all’inverter vero e
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
65
proprio, impiegante come dispositivi di commutazione i transistor. La
variazione di frequenza viene attuata pilotando questi transistor, di tipo
IBJT o MOSFET, mediante un microprocessore.
La sezione “frenatura”, interviene durante il processo di frenatura del
motore, quando quest’ultimo si comporta da generatore, e l’energia
accumulata viene immagazzinata nel condensatore C.
Per evitare che il condensatore si sovraccarichi, con conseguente
distruzione del circuito, un transistor assolve al compito di scaricare il
condensatore sulla resistenza R, che svolge quindi il compito di frenatura
dinamica del motore.
2.4.2.2
Variazione di velocità
La regolazione di velocità, consiste nell’alimentare il MAT con una terna
sinusoidale di tensioni, variabili in frequenza e ampiezza, in modo tale
che il rapporto tensione-frequenza V/f rimanga il più possibile costante e
che la corrente assorbita dal motore non superi il valore nominale, per
non incorrere in pericolosi surriscaldamenti della macchina.
Se V1n e f1n sono i valori nominali dell’alimentazione del motore,
l’inverter provvede a fornire al MAT una tensione di caratteristiche
variabili nel seguente modo:
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
66
Figura 2.23 Caratteristica dell'inverter
in cui si individuano tre zone di funzionamento.
La prima è chiamata “regione a coppia costante” che copre le frequenze
da zero alla nominale e quindi le velocità dall’avviamento alla nominale.
In tale zona essendo:
C MAX ≅ k 1
V12
f 12
(2.17)
avremo che la coppia massima esprimibile dal motore rimarrà costante,
mentre la velocità varierà proporzionalmente con la frequenza. La
corrente assorbita dal motore non si discosterà sensibilmente dalla
nominale, considerando che in prima approssimazione la corrente di
reazione può essere ritenuta pari a :
I 1'≅
V1Y − E1
R12 + X d21
(2.18)
e che la tensione, la f.e.m. statorica e la reattanza di dispersione
aumentano in ugual misura. Quindi l’andamento della tensione applicata
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
67
in funzione della frequenza è teoricamente una retta, se si trascura la
resistenza R1.
La seconda zona è chiamata “regione a potenza costante”. Arrivati alla
tensione nominale, in corrispondenza della frequenza nominale, se si
desidera aumentare ulteriormente la velocità bisognerà aumentare la
frequenza oltre f1n senza tuttavia aumentare la tensione oltre V1n al fine di
evitare rotture derivanti dal cedimento dell’isolamento e eccessive
perdite nel ferro. Quindi ad un ulteriore aumento di frequenza, oltre la
nominale, si avrà, in base alla legge di proporzionalità inversa, una
diminuzione del flusso magnetico e quindi una diminuzione della coppia
resa all’albero. La potenza erogata dal motore, rimane comunque
costante, essendo proporzionale alla velocità angolare, ed alla coppia. La
costanza della potenza, unitamente alla costanza della tensione, permette
di ritenere costante la corrente assorbita dal motore, pari a quella
nominale.
La terza regione è chiamata “a potenza decrescente” o a “corrente
limitata”. Si manifesta a partire da f* >> f1n (fig. 2.22), per la quale le
reattanze di dispersione del circuito equivalente, si elevano talmente, da
impedire il passaggio della corrente nominale. In tal caso la corrente
rotorica risulta inversamente proporzionale alla frequenza e, poiché
anche il flusso per polo varia in modo inversamente proporzionale alla
frequenza, accade che la coppia diminuisce con legge inversamente
proporzionale al quadrato della frequenza. La potenza, essendo
proporzionale sia alla velocità angolare che alla coppia, diminuirà
secondo legge inversamente proporzionale alla frequenza.
Qualunque sia la regione di funzionamento, accade che la differenza tra
la velocità a vuoto n1 e la velocità che determina la coppia massima
nCMAX è costante in quanto non dipende dalla frequenza
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
∆n = n1 − nCMAX = n1 ⋅ sCMAX = cos t .
68
(2.19)
e quindi, se la coppia è costante, è lecito ritenere costante lo scostamento
in velocità tra la velocità a regime e quella a vuoto, qualsiasi sia la
frequenza. Risulta pertanto possibile variare la velocità del motore
secondo la seguente caratteristica ( riferita ad un motore avente due
coppie polari, tensione nominale 380 V, frequenza 50 Hz) :
Figura 2.24 Caratteristica di variazione di velocità
che riporta l’andamento della coppia in funzione della velocità angolare.
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
2.4.3
69
Encoder
La necessità di conoscere la posizione angolare dell’albero a camme,
quindi le fasi del motore, ha indotto all’installazione di un encoder.
Questo tipo di trasduttore è ormai largamente diffuso sul mercato, ed è
presente in molte varianti, nel nostro caso si tratta di un encoder
incrementale della BAUMER, le cui caratteristiche tecniche sono
riportate in Appendice A.
Figura 2.25 Encoder presente in laboratorio
L’encoder è stato quindi collegato solidamente con l’albero a camme,
mediante una supporto in alluminio appositamente realizzato, solidale
con la testa del motore. Inoltre è stato inserito un disco graduato, con la
duplice funzione di centraggio dell’encoder e di analisi della posizione
delle valvole, processo che verrà discusso nel prossimo capitolo.
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
70
Figura 2.26 Supporto in alluminio dell'encoder, con misuratore angolare
2.4.3.1
Principio di funzionamento
L’encoder incrementale consiste principalmente in un disco opaco,
solidale con l’albero di rotazione, il cui spostamento deve essere
misurato. Il disco ha un certo numero di fessure o finestre, equidistanti
tra loro e disposti su una circonferenza, attraverso le quali può passare un
raggio di luce.
Sono impiegati, una sorgente, solitamente un diodo LED, ed un
rilevatore di luce, ad esempio un fototransistor, capace di captare il
fascio fornito dal LED. Tale fascio sarà interrotto dal disco ogni vota che
non sarà allineato alle fessure, in questo modo, contando il numero di
volte in cui il transistor è stato sensibilizzato, si può ricavare lo
spostamento angolare.
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
71
Figura 2.27 Principio di funzionamento dell'encoder incrementale
Quando l’encoder si trova nella posizione di riferimento, il fascio di luce
attraversa il foro 0 (fig.2.28), il foto rilevatore viene eccitato, e emette un
segnale logico alto, restandovi fino a quando il raggio non viene
interrotto, dopodiché il fotorilevatore emette un segnale logico basso.
Figura 2.28 Disco forato dell'encoder incrementale
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
72
In sostanza l’output del fotorilevatore, che permette di conteggiare il
numero di fessure che attraversano il fascio luminoso e quindi lo
spostamento angolare, è una sequenza di 0 e 1 (fig. 2.29).
Figura 2.29 Tipico segnale di output di un encoder
Negli encoder standard, uno degli inconvenienti può essere costituito
dall’impossibilità di determinare il verso del moto, poiché il conteggio
delle finestrelle passanti non tiene conto del verso di avanzamento. Tale
problema può essere superato introducendo un altro sistema ottico LEDRicevitore, opportunamente sfasato, come mostrato in figura 2.26.
In tal modo, considerando il verso di avanzamento del segnale, si è in
grado di determinarne il verso di rotazione.
Figura 2.28 Determinazione del verso di avanzamento
CAPITOLO 2 – DESCRIZIONE DEL BANCO DI FLUSSAGGIO
73
Solitamente il LED è costituito da arseniuro di Gallio, che ne permette il
funzionamento per più di 100.000 ore. I parametri più importanti per
questo tipo di encoder sono:
• la risoluzione, calcolata come R = 360° N , dove N é il numero di
fori praticati sul disco;
• il range di funzionamento, compreso tra 0° e 360°;
• la sensibilità, che risulta legata alla risoluzione, e rappresenta il
minimo spostamento rilevabile dal trasduttore;
• il
tempo
di
risposta,
che
dipende
sostanzialmente
dal
fotorilevatore.
Di seguito viene riportata una sezione di un encoder incrementale, che ne
evidenzia i componenti più importanti.
Figura 2.29 Sezione di un encoder incrementale