MOTORE DC RECUPERO ENERGIA

[fpalone]

Salve a tutti,
come giustamente segnala isidoroKZ, la soluzione più comune (con un motore in continua) è quella di usare l'induttanza dell'avvolgimento di armatura per immagazzinare energia e quindi scaricarla verso l'alimentazione; il tutto come dicevo prima non è privo di difficoltà, prima tra tutte il valore della costante di tempo di un motore di quelle dimensioni; una corrente pulsante inoltre creerà delle pulsazioni di coppia, con conseguenti vibrazioni sull'avvolgimento.
Inoltre visto che delgiu87 ci segnala che il motore è un DC brushless (pilotato solamente con un ponte a mezzo H probabilmente ci sarà di mezzo un inverter completo!) la questione si complica ulteriormente; con il team di cui faccio parte alla scorsa formula ATA abbiamo implementato su di 2 motori DC brushless la frenatura rigenerativa, adottando proprio lo schema di cui isidoroKZ applicandolo in trifase tuttavia le difficoltà sono state enormi. Tra l'altro la frenatura rigenerativa causava delle vibrazioni di coppia elevate (nonostante fossero state prese alcune precauzioni), con conseguente effetto "motore diesel".

[davidde]

Giusto... non tenevo in considerazione che l' induttanza è carica !

Quindi un pilotaggio ben fatto con questa configurazione prevederebbe che durante accelerazione e marcia si piloti il motore tramite il mosfet alto e con il mosfet basso in controfase si favorisce il passaggio della corrente per aumentare il rendimento, mentre in fase di frenatura, si può sfruttare l' energia prodotta per ricaricare le batterie accendendo e spegnendo il mosfet basso ed andando a chiudere il mosfet alto in corrispondenza delle sovratensione generate. Sbaglio ancora ...

Inoltre visto che delgiu87 ci segnala che il motore è un DC brushless (pilotato solamente con un ponte a mezzo H probabilmente ci sarà di mezzo un inverter completo!) la questione si complica ulteriormente;

Questa cosa lascia dubbioso anche me, ho visto in giro altri brushless di questo tipo ma non ho mai capito se sia lecito pilotarli tramite PWM, a voi risulta di si ?

[fpalone]

Essendo a tutti gli effetti motori sincroni necessitatno un'alimentazione trifase, anche se trattandosi di motori DC brushless le tensioni e correnti non saranno sinusoidali.Il controllo dell'ampiezza viene comunque generalmente eseguito tramite PWM, ma io ho visto sempre impiegato per questo tipo di applicazioni un inverter trifase completo.

[davidde]

non credo che ci siamo capiti. Secondo me il motore in questione ha un inverter dedicato interno. Dalla carcassa escono poi soltanto i fili di alimentazione dell' inverter rosso e nero. Secondo te un motore così fatto potrebbe essere pilotato direttamente tramite un PWM ?

[delgiu87]

ricapitolando ciò che dice isidoro è come utilizzare un mezzo ponte senza usarlo e cioè sfruttare il diodo di quello sopra e viceversa...o k questa er ala via più semplice...sarei già in giro con il scooter se fosse così

invece vorrei capire esattamente come funziona ritornando al ragionamento con il motore in questione ...e cioè motore al +

non ho ancora chiaro i percorsi delle correnti..se attivo il MOS basso il motore gira..non appena lo spengo l'induttore restituisce corrente dallo stesso verso e cioè dal più verso il meno...perciò viene bloccato dal catodo di quello basso e circola nel diodo alto..quindi se mantengo sempre a 1 il MOS alto oltre a frenare( cioè cortocircuitare il motore) dovrei anche ricaricare...così sembra mi ha fatto capire oggi il prouttore della centralina originale( a meno che mi ha traviato per non farmela sistemare).

se non regolo la corrente tramite il PWM nel mosfet sotto la corrente che circola in quello sopra uccide il MOS stesso, se invece metto in parallelo diodi che reggono una correntina di 50 A me la succhio tutta e oltre a caricare danneggio anche le batterie..

poi altra cosa che non mi spiego...se non c'è un riferimento a massa da dove circola la corrente....

quindi...o non ho capito niente di quello che mi ha detto...aggiungo che ha precisato il tecnico , l'induttore crea una tensione più positiva rispetto ai 48 in mezzo al ponte quindi riesce a circolare anche senza riferimento a massa attraverso il diodo del MOS alto.


qualcuno concorda o confuta queste ipotesi???

[IsidoroKZ]

non ho ancora chiaro i percorsi delle correnti..se attivo il MOS basso il motore gira..non appena lo spengo l'induttore restituisce corrente dallo stesso verso e cioè dal più verso il meno...perciò viene bloccato dal catodo di quello basso e circola nel diodo alto..quindi se mantengo sempre a 1 il MOS alto oltre a frenare( cioè cortocircuitare il motore) dovrei anche ricaricare...così sembra mi ha fatto capire oggi il prouttore della centralina originale( a meno che mi ha traviato per non farmela sistemare).

Ci provo con un paio di disegni. Negli schemi i MOS sono rappresentati da un interruttore (S) con un diodo (D) in parallelo. Lo schema sembra diverso dal mezzo ponte, ma e` sempre lui. Il motore e` modellato con la sua induttanza di armatura e una tensione che e` la forza controelettromotrice del motore che sta girando. La forza controelettromotrice dipende dalla velocita`, e a meno di discese e velocita` folli, e` sempre minore della tensione di batteria. Ho usato una batteria piu` "lunga" per rappresentare i 48V e una piu` corta per la tensione generata dal motore, ad esempio 36V.

Analizzo un comando semplificato, in cui comando solo un interruttore per volta, S1 oppure S2 a seconda che voglio fornire potenza al motore oppure recuperarla in frenata. Suggerisco anche di dare un'occhiata a questi articoli sul buck e sul boost

Fase di motoring, stai andando avanti ed eroghi potenza al motore. Chiudi e apri ciclicamente l'interruttore S1. Durante la chiusura la corrente scorre nel verso indicato,

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la corrente nell'induttanza scorre verso destra, e sale perche' la tensione di batteria e` piu` elevata di quella nel motore. Durante questa fase la tensione ai morsetti del motore e` di 48V, la tensione sulla induttanza e` di 12V con il positivo a sinistra.

Apri S1, la corrente nell'induttanza di armatura scorreva verso destra, e continua a scorrere verso destra. Non passa per S1, ma trova come percorso il diodo di substrato D2, vedi figura

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Durante questa fase la tensione ai capi del motore e` di 0V, quella sull'induttanza e` di -36V (sempre considerando il piu` a sinistra). La corrente nell'induttanza scende perche' ai suoi capi ha solo la tensione generata dal motore.

QUesti cicli si ripetono periodici, con duty cycle, con i numeri che ho messo, di 0.75.
Questo e` nient'altro che un convertitore step down, o buck, che abbassa la tensione da 48V a 36V.

Se a un certo punto interrompi la ciclicita` e tieni entrambi i MOS spenti, la corrente nell'induttanza continua a scorrere verso destra, scende fino a zero, e poi i due MOS sono aperti, i due diodi sono polarizzati a rovescio e il motore e` lasciato libero di andare (fase di coasting)

Ora supponiamo di voler frenare. Partiamo, per semplicita` da corrente di armatura nulla. Chiudo il MOS S2 e l'ingresso del motore viene cortocircuitato. Questa volta la corrente puo` scorrere verso sinistra, come in figura attraverso S2.

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La tensione ai capi del motore e` 0V, la corrente e` uscente perche' spinta dalla forza controelettromotrice. La tensione ai capi dell'induttanza e` di 36V con il positivo a destra, e la corrente nell'induttanza, se e` partita da zero, diventa sempre piu` grande scorrendo verso sinistra.

Quando si apre il MOS S2, la corrente nella L di armatura sta scorrendo verso sinistra, e continua a scorrere verso sinistra. Non passa piu` in S2 ma per fortuna trova il diodo D1 del MOS e percorre quella strada, tornando verso l'ingresso a caricare il condensatore di ingresso. Non posso aggiungere la quarta figura perche' il limite e` 3 . In questa fase la tensione ai capi del motor e` 48V, la tensione sull'induttanza e` di 12V con il positivo a sinistra, la corrente scorre verso sinistra ma decresce di valore (l'ingresso "spinge di piu`" della forza controelettromotrice e quindi fa diminuire la corrente)

In questo caso, se si legge il circuito da destra verso sinistra, si riconosce il solito step up o boost. Si deve controllare l'interruttore S2 con duty cycle iniziale di circa 0.25, e poi aumentarlo di mano in mano che il motore rallenta e genera meno tensione.

Spero che cosi` sia un po' piu` chiaro. Peccato per la quarta figura, l'avevo gia` preparata

Osservazioni varie. Ci deve essere un condensatore di ingresso, sano robusto e grande, perche' gli impulsi di corrente (ripidi) si richiudono li`, non devono passare attraverso i fili lunghi. Se manca quel condensatore, oppure e` montato male, si crea una sovratensione che uccide i MOS.

Altra osservazione: il controllo puo` benissimo essere fatto con i due MOS comandati in opposizione di fase (modo sincrono), aumenta l'efficienza.

Ultima osservazione: si puo` usare un coso del genere (che i motoristi chiamano chopper) con un brushless, che ha un inverter al suo interno? Dipende dal motore. Se l'inverter solo sono 6 MOS comandati dalla rotazione del motore, si`, si puo` usare perche' la frequenza del regolatore e` molto maggiore di quella dell'inverter interno. L'inverter interno e` solo al posto del collettore meccanico. Questi brushless di fuori si comportano quasi esattamente come un motore in continua. Se invece l'inverter interno e` piu` complicato, lavora in PWM, allora potrebbero esserci problemi.

[IsidoroKZ]

Aggiungo qui la quarta figura. Con quello che detesto preparale, l'idea che fosse stato un lavoro inutile mi dava dispiacere

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Durante questa fase si ha l'effettivo trasferimento di energia verso la sorgente.

Se si pilotano i MOS in opposizione di fase, il circuito diventa un "trasformatore in continua", con rapporto di trasformazione V "di uscita" (motore) diviso V di ingresso (batteria) pari al duty cycle di S1: la solita relazione del buck in modo continuo.

Se la V di ingresso moltiplicata per D e` piu` grande della forza controelettromotrice del motore, si ha trasferimento di energia verso il motore. Se invece Vingresso moltiplicata il duty cycle e` piu` piccola della tensione generata dal motore, la potenza torna indietro verso la sorgente.

La stessa cosa la si vede analizzando il circuito come boost bidirezionale: questa volta e` il rapporto tensione di batteria diviso tensione di motore (un numero >1) ad essere pari a 1/(1-D) dove D e` il duty cycle di S2 per l'equilibrio. Se si cambia il rapporto di trasformazione cambia la quantita` e la direzione di energia trasferita.

[delgiu87]

quindi questo benedetto recupero funziona solo in discesa...non può recuperare i transienti istantanei prodotti dal motore?

Se fosse così non avrebbe senso allora...se vado in discesa e vado liberamente sfrutto molto di più l'energia piuttosto che farmi frenare per ricaricare(quasi niente a confronto visto che trasformando energia si perde ancora)...oltretutto non farà male alle batterie questa corrente recuperata?

[fpalone]

non credo che ci siamo capiti. [...] Secondo te un motore così fatto potrebbe essere pilotato direttamente tramite un PWM ?

Ah, scusa non ti avevo capito...
comunque sì, fermo restando che l'inverter non abbia un blocco di minima tensione impostato ad un valore troppo alto, si potrebbe fare. Occorrerebbe comunque fornire una tensione con un ripple limitato all'inverter, ma non dovrebbe essere un problema. Ad esempio per le ventoline di raffreddamento per le CPU, che sono motori brushless, si può tranquillamente regolare la velocità variando la tensione in ingresso .
Per rispondere a delgiu87 la frenatura rigenerativa, se correttamente implementata, permette di recuperare energia sia in discesa, sia in frenata. La quota parte di energia recuperata è tutt'altro che trascurabile in ambito urbano; ad esempio sul ciclo ECE 15 il risparmio (in termini di energia erogata dalle batterie, al lordo quindi del rendimento di stoccaggio) può superare con facilità il 20%.
Ovviamente le batterie mal digeriscono i picchi di corrente ed in particolar modo questi cicli di carica-scarica estremamente parziali ma bruschi. Una soluzione può essere impiegare diverse forme di stoccaggio per l'energia recuperata, ad esempio dei supercondensatori, che aumentano ulteriormente il rendimento della frenatura rigenerativa.
Le difficoltà ci sono, ma il fatto che quasi tutti coloro che progettano veicoli elettrici si cimentino nella frenatura a recupero ti fa capire che in linea di massima ne vale la pena.

[IsidoroKZ]

quindi questo benedetto recupero funziona solo in discesa...non può recuperare i transienti istantanei prodotti dal motore?

Certo che sfrutta anche le frenate e i rallentamenti in citta`. Ad esempio quando il motore genera 36V, usando il convertitore come boost si trasforma la tensione in 48V e oltre per ricaricare le batterie o i condensatori durante la frenata