IT9021109A1 - Dispositivo di misura e controllo particolarmente per motori elettrci asincroni - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Il presente trovato riguarda un dispositivo di misura e controllo particolarmente per motori elettrici asincroni.

Oggigiorno la maggior parte dei motori elettrici utilizzati nelle più svariate applicazioni è costituita da motori elettrici asincroni a gabbia. Per tali motori asincroni il problema tecnico maggiore è costituito dalla regolazione della velocità, onde poter competere allo stesso livello con i motori a corrente continua.

Grazie alla sempre maggior disponibilità di circuiti integrati, microprocessori e transistori di potenza, attualmente si possono realizzare inverter di controllo che permettono un migliore e più preciso controllo dell'alimentazione afferente al motore elettrico asincrono.

Le prestazioni richieste da un controllore per un motore asincrono sono riassumibili nelle seguenti: prima di tutto una coppia massima elevata, almeno pari a tre o quattro volte la coppia nominale del motore, sia in fase di avviamento che in velocità; un'elevata prontezza, che significa un buona rapporto fra coppia massima ed inerzia del motore; discreta precisione, ovvero elevata pendenza della caratteristica di uscita fra coppia e variazione di velocità; sovravelocità, a potenza costante, almeno pari a tre o quattro volte la velocità di base del motore asincrono.

Una soluzione al problema tecnico descritto prevede l'utilizzo di inverter ad anello aperto o chiuso, per i quali esistono problemi di costanza del pilotaggio del motore quando siano richieste elevate coppie o elevate velocità di risposta per cambiamenti di carico o della velocità richiesta .

Onde risolvere questi problemi, i quali sono particolarmente gravosi soprattutto in ambiente industriale, sono stati realizzati dei controllori complessi sovente denominati controllori vettoriali. Questi ultimi si basano solitamente su circuiti di rilevazione e calcolo dei vettori rappresentanti rispettivamente corrente e flusso magnetico.

I vettori corrente e flusso magnetico hanno una velocità angolare nel traferro del motore pari a quella corrispondente alla frequenza di alimentazione e generano le coppie meccaniche che mantengono il movimento del rotore, comportando inoltre una velocità di scorrimento relativa del vettore flusso magnetico rispetto al rotore che ruota alla velocità meccanica dell'albero, accelerandolo o vincendone il carico utile.

Ora tali dispositivi solitamente (figura 1) si basano su un sistema a microprocessore retroazionato di complessa e costosa realizzazione, in quanto i calcoli necessari per ottenere il modulo e la fase dei vettori flusso magnetico e coppia comportano la risoluzione di complesse operazioni matriciali, che, come è noto, richiedono un cospicuo dispendio di potenza di calcolo del microprocessore installato in questi controllori vettoriali, e quindi i controllori vettoriali richiedono solitamente microprocessori ad alta qualità, sempre dotati di una cospicua capacità di memoria volatile e contenenti programmi applicativi permanentemente registrati in memorie non volatili, caratteristiche queste ultime che non sono proprie di normali microprocessori, ma solo di microprocessori speciali solitamente presentanti costi cospicui. Inoltre la progettazione ed il dimensionamento delle componenti elettroniche di contorno al microprocessore devono essere particolarmente accurate, dovendo il controllore vettoriale lavorare in ambienti solitamente afflitti da elevato rumore elettromagnetico, e quindi soggetto solitamente ad influire negativamente sui componenti elettronici inseriti in tali ambienti.

Compito del presente trovato è quello di eliminare o sostanzialmente ridurre gli inconvenienti sopra lamentati in tipi noti di inverter con controllori vettoriali ad anello aperto o chiuso escogitando un dispositivo di misura e controllo particolarmente per motori elettrici asincroni, il quale elimini l’uso di microprocessori mantenendo l'accuratezza del controllo a circuito chiuso, quando applicato.

Nell'ambito del compito accennato uno scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di misura e controllo il quale non richieda complesse operazioni matriciali per ricavare le informazioni necessarie per il corretto controllo del motore elettrico asincrono.

Non ultimo scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di misura e controllo di relativamente facile realizzazione ed a costi molto competitivi.

Il compito sopra esposto, nonché gli scopi accennati ed altri che meglio appariranno in seguito vengono raggiunti da un dispositivo di misura e controllo particolarmente per motori elettrici asincroni caratterizzato dal fatto di comprendere un circuito moltiplicatore/divisore, il quale presenta un primo ed un secondo morsetto d'ingresso elettricamente collegato ad un'alimentazione di un inverter d’alimentazione di detto motore elettrico asincrono ed un terzo morsetto d'ingresso per un segnale misurato su detto motore elettrico asincrono, detto circuito moltiplicatore/divisore presentando detto morsetto di uscita, presentante un segnale elettrico rappresentante una coppia meccanica, elettricamente collegato a mezzi regolatori di detto inverter, detto primo e detto secondo morsetto d’ingresso essendo atti a rilevare la tensione d'alimentazione e la corrente assorbita da detto inverter, detto terzo d'ingresso essendo atto a rilevare un segnale rappresentativo della pulsazione meccanica di lavoro di detto motore elettrico asincrono.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita ma non esclusiva di un dispositivo di misura e controllo particolarmente per motori elettrici asincroni secondo il trovato, illustrata a titolo indicativo e non limitativo negli uniti disegni, in cui:

la figura 1 è uno schema esemplificativo di un controllore vettoriale a microprocessore di tipo noto;

la figura 2 è uno schema esemplificativo di un motore asincrono alimentato mediante un inverter; e

le figure 3A, 3B e 3C sono schemi di realizzazione di un dispositivo di misura e controllo particolarmente per motori elettrici asincroni secondo il trovato.

Con riferimento alla figura 1, un esempio di controllore vettoriale di tipo noto comprende un microprocessore, identificato complessivamente dal numero di riferimento 1, il quale riceve dalle tre fasi 2a, 2b e 2c di alimentazione di un motore asincrono 3 informazioni predisposte da un rapportatore 4, che trasforma le tre fasi in due soli segnali di misura 5a e 5b. Questi ultimi vengono convertiti da segnali analogici in segnali digitali mediante dei convertitori analogico/digitali 6a e 6b. Inoltre al microprocessore 1 afferiscono informazioni sulla frequenza del motore asincrono 3 tramite un trasduttore 7. All’interno del microprocessore 1 i dati misurati vengono comparati con i dati impostati dall'utente, identificati dai numeri di riferimento 8 e 9. Le uscite 10a, 10b e 10c vengono trasmesse dal microprocessore 1 ad un inverter 11, per la regolazione della potenza erogata al motore asincrono 3.

Come risulta evidente, sia pur da questa descrizione sintetica, e da quanto precedentemente detto, un controllore vettoriale richiede una una complessa progettazione sia di tipo hardware che di tipo software, per realizzare le comparazioni richieste. Inoltre, dal punto di vista meramente costruttivo, necessita di particolari attenzioni per evitare influenze elettromagnetiche che possono alterare, in taluni casi anche in modo estremamente significativo, il funzionamento del controllore vettoriale stesso.

La coppia meccanica fornita da un motore asincrono è data, come noto, dal prodotto scalare dei vettori flusso magnetico e corrente elettrica. Il controllo della coppia meccanica C richiede, quindi il controllo del prodotto:

ove con Φ si è indicato il vettore flusso magnetico, con Iq la componente in quadratura con Φ del vettore corrente elettrica. La seconda uguaglianza è vera giacché il flusso Φ è proporzionale, a meno di costanti, ad Id. Id e Iq sono in quadratura fra loro e corrispondono alle correnti di eccitazione e di armatura di un motore in corrente continua. Normalmente si deve operare in modo che il flusso Φ (o meglio la corrente Id) sia massimo e costante, come avviene in un motore a corrente continua. Ciò consente di avere una coppia meccanica C prefissata con il valore minimo della componente attiva Iq, e quindi di utilizzare il motore al massimo.

Il vettore flusso Φ deve avere, rispetto al rotore, una velocità relativa o di scorrimento Ws tale che la componente attiva Iq sia quella necessaria a realizzare quanto descritto, ovvero:

ove con Wg si è indicata la pulsazione o frequenza di scorrimento e con R la resistenza elettrica del circuito rotorico.

Con riferimento alla figura 2, la teoria dei motori asincroni afferma che la potenza elettrica P trasmessa dallo statore 12 al rotore 13 di un motore elettrico asincrono 14 corrisponde al prodotto fra la coppia meccanica C e la pulsazione o frequenza di lavoro W, ossia:

La potenza elettrica P è d’altra parte uguale alla potenza attiva assorbita dal motore elettrico asincrono 14 ai morsetti d’ingresso 15a, 15b e 15c al motore elettrico asincrono 14 stesso, diminuita delle perdite, solitamente piccole, nello statore 12 del motore elettrico asincrono 14 stesso. Se, però, il motore elettrico asincrono 14 è alimentato tramite un inverter 16, il quale è a sua volta alimentato da una tensione continua o meglio da un generatore di tensione costante E, identificato dal numero di riferimento 17, la potenza elettrica P è la potenza assorbita in continua, ossia il prodotto fra la tensione di alimentazione E 17 e la corrente assorbita Icc, indicata dal numero di riferimento 18, ovvero:

dalla quale si ricava che la coppia meccanica C è direttamente proporzionale alla potenza elettrica P, ossia:

Da quanto detto precedentemente si hanno le seguenti espressioni :

Dalle precedenti espressioni si ottiene il seguente sistema :

Si evince dal sistema finale come i valori dei moduli di Iq e di Id, necessari per il controllo vettoriale di un motore asincrono, sono ottenibili direttamente dal calcolo della coppia meccanica C, eseguito a partire dalle grandezze tensione di alimentazione E, corrente assorbita e pulsazione di lavoro W. Se è necessario il valore calcolato della frequenza di scorrimento Ws esso si ricava dalla:

ove

ove Is è il valore complessivo della corrente assorbita dalle tre fasi di alimentazione 15a, 15b e 15c del motore elettrico asincrono 14, ottenibile, a titolo di esempio, mediante tre trasformatori di corrente, uno per ciascuna fase di alimentazione 15a, 15b e 15c del motore elettrico asincrono 14 stesso.

In tal modo si sono ottenute teoricamente le grandezze di lavoro del motore asincrono. Da queste si è sviluppato un dispositivo di misura e controllo particolarmente per motori elettrici asincroni secondo il trovato, un esempio schematico del quale è fornito nelle figure 3A, 3B e 3C.

Al dispositivo di misura e controllo secondo il trovato, indicato dal numero di riferimento 20, afferiscono quindi la tensione di alimentazione E 17 e la corrente assorbita Icc 18, mediante morsetti d'ingresso 20a e 20b, la pulsazione o frequenza di lavoro W del motore elettrico asincrono 14 rilevata mediante un trasduttore 21 ed afferente al circuito 20 mediante un morsetto d’ingresso 20c. Inoltre, sui morsetti d’ingresso 20g e 20h vengono impostati, da parte dell'operatore su selettori identificati dai medesimi numeri di riferimento, la velocità richiesta al motore elettrico asincrono 14 tradotta in pulsazione di lavoro W<R >e il flusso magnetico di lavoro Φ o meglio la corrente reattiva di lavoro Ιd<R >. Dai morsetti d'uscita 22a e 22b vengono trasmessi dal circuito 20 all'inverter 16 la tensione V di alimentazione e la pulsazione di lavoro W del motore elettrico asincrono 14.

Il dispositivo di misura e controllo 20 (figura 30 comprende mezzi di calcolo di un segnale rappresentante la coppia meccanica istantanea Cist costituito da un circuito moltiplicatore/divisore 23 il quale è dotato di un primo morsetto d'ingresso 20a ed un secondo morsetto d'ingresso 20b rispettivamente per la corrente assorbita Icc 18 e per la tensione di alimentazione E 17 ed un terzo morsetto d'ingresso 20c per un segnale elettrico rappresentante la pulsazione istantanea Wist del motore elettrico asincrono 14. Il circuito moltiplicatore/divisore 23 calcola la relazione:

la quale è trasmessa ad un circuito regolatore di pulsazione (figura 3A) tramite il morsetto d'uscita 24.

Con riferimento alla figura 3A, il circuito regolatore di pulsazione comprende un primo nodo sommatore 25, nel quale al segnale rappresentante la pulsazione di lavoro proveniente dal quarto morsetto d'ingresso 20g, viene sottratto il segnale rappresentante la pulsazione istantanea wist del motore elettrico asincrono 14, proveniente dal quinto morsetto d'ingresso 20c.

L'uscita dal primo nodo sommatore 25 costituisce l'ingresso per un regolatore di velocità 26, il quale calcola o un segnale rappresentante la coppia meccanica di lavoro C<R >o la corrente di lavoro Iq<R>, la relazione intercorrente fra queste due ultime quantità, fra loro proporzionali, è stata chiarita precedentemente.

L'uscita del regolatore di velocità 26 costituisce l'ingresso per un secondo nodo sommatore 27 nel quale al se-

D

gnale rappresentante la coppia meccanica di lavoro C viene sottratto il segnale rappresentante la coppia meccanica istantanea Cist- (oppure alla corrente di lavoro Iq<R >viene sottratta la corrente istantanea Iq,ist)· Il segnale rappresentante la coppia meccanica istantanea Cist, oppure la corrente istantanea Iq-ist, proviene dal sesto morsetto d'ingresso 24.

L'uscita del secondo nodo sommatore 27 è l’ingresso di un regolatore di corrente 28, il quale, a partire dal segnale ricevuto in ingresso, calcola il segnale rappresentante la pulsazione richiesta di scorrimento Wg<R>.

L'uscita del regolatore di corrente 28 costituisce l'ingresso per un terzo nodo sommatore 29, nel quale al segnale rappresentante la pulsazione richiesta di scorrimento Wg<R >viene sottratto il segnale rappresentante la pulsazione di scorrimento effettiva Wg , proveniente da un settimo morsetto d'ingresso collegato ad un ramo di retroazione 30, che viene meglio chiarito nel seguito.

L'uscita del terzo nodo seminatore 29 costituisce l'ingresso per un regolatore di scorrimento 31, il quale, a partire dal segnale in ingresso calcola il segnale rappresentante la pulsazione di lavoro W, il quale viene trasmesso all'inverter 16 mediante il morsetto d'uscita 22a. Il segnale rappresentante la pulsazione di lavoro W viene inoltre trasmesso al ramo di retroazione 30.

Il ramo di retroazione 30 comprende un quarto nodo sommatore 32 nel quale al segnale rappresentante la pulsazione di lavoro W viene sottratto il segnale rappresentante la pulsazione istantanea Wist corrispondente alla velocità del motore elettrico asincrono 14, proveniente dall'ottavo morsetto d’ingresso 20c. Il segnale in uscita dal quarto nodo sommatore, rappresentante la pulsazione di scorrimento Ws , costituisce l'ingresso a sottrarre del terzo nodo sommatore 29.

Il circuito di regolazione di tensione, illustrato in figura 3B, comprende un quinto nodo sommatore 33, nel quale al segnale rappresentante il flusso magnetico richiesto di lavoro Φ<κ >(oppure alla corrente richiesta di lavoro Ιd<R>), proveniente dal nono morsetto d'ingresso 20h, viene sottratto il segnale rappresentante il flusso magnetico istantaneo Φist' (oppure la corrente istantanea Iist) - proveniente dal decimo morsetto d'ingresso, costituito dai morsetti 24 e 30.

Il flusso magnetico istantaneo (oppure la corrente istantanea Iist) sono calcolati mediante la (C/Ws)1⁄2 precedentemente descritta. L'uscita del quinto nodo sommatore 33 costituisce l'ingresso per un regolatore di flusso 34, il quale calcola, a partire dal segnale ricevuto in ingresso, la tensione V di alimentazione da trasmettere all'inverter 16 mediante il morsetto d'uscita 22b.

Si ha quindi, come chiarito nell’introduzione teorica al dispositivo secondo il trovato, il circuito stesso elabora, a partire da grandezze misurate e grandezze impostate dall'operatore, segnali di controllo dell'inverter alimentante il motore elettrico asincrono. Tali segnali scalari V e W regolano l'alimentazione e la frequenza di lavoro del motore asincrono, quindi regolano grandezze vettoriali, eliminando la necessità di complesse operazioni matriciali e la necessità di utilizzare microprocessori.

Il dispositivo secondo il trovato risulta lievemente più lento dei controllori vettoriali tradizionalmente utilizzati, avendo un tempo di reazione tipicamente di dieci millisecondi contro il millisecondo dei controllori vettoriali. Tale aumento del tempo di reazione però non inficia il dispositivo secondo il trovato, giacché i tempi di reazione attualmente richiesti da macchine dotate di motori elettrici asincroni risultano almeno di un ordine di grandezza superiore al tempo di reazione presentato dal circuìto automatico ad anello chiuso secondo il trovato.

In particolare il dispositivo secondo il trovato consente l'ottenimento di velocità elevate mediante la riduzione del flusso di lavoro impostato Φ<R>, proveniente dal nono morsetto d'ingresso 20h, in modo da poter lavorare a frequenza più elevata con tensione pari alla massima disponibile.

Il trovato cosi concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo. Ad esempio, la componentistica elettronica necessaria per realizzare i diversi regolatori è variabile a seconda delle ingegnerizzazioni previste. Inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti.

In pratica i materiali impiegati nonché le dimensioni potranno essere qualsiasi, a seconda delle esigenze.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di misura e controllo particolarmente per motori elettrici asincroni caratterizzato dal fatto di comprendere un circuito moltiplicatore/divisore, il quale presenta un primo ed un secondo morsetto d’ingresso elettricamente collegato ad un'alimentazione di un inverter d'alimentazione di detto motore elettrico asincrono ed un terzo morsetto d'ingresso per un segnale misurato su detto motore elettrico asincrono, detto circuito moltiplicatore/divisore presentando detto morsetto di uscita, presentante un segnale elettrico rappresentante una coppia meccanica, elettricamente collegato a mezzi regolatori di detto inverter, detto primo e detto secondo morsetto d'ingresso essendo atti a rilevare la tensione d'alimentazione e la corrente assorbita da detto inverter, detto terzo d’ingresso essendo atto a rilevare un segnale rappresentativo della pulsazione meccanica di lavoro di detto motore elettrico asincrono.
2. 2. Dispositivo, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi regolatori comprendono un circuito di regolazione di tensione ed un circuito regolatore di pulsazione, detti circuiti comprendendo una pluralità di morsetti di ingresso per segnali selettivamente misurati su un motore elettrico asincrono, su un inverter di alimentazione di detto motore elettrico asincrono, da selettori azionabili da un operatore e da detto circuito moltiplicatore/divisore.
3. 3. Dispositivo, secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto circuito di regolazione di pulsazione comprende un primo nodo sommatore, detto primo nodo sommatore comprendendo un quarto morsetto d'ingresso elettricamente collegato ad un selettore azionabile da un operatore ed un quinto morsetto d'ingresso per un segnale misurato su detto motore elettrico asincrono, detto primo nodo sommatore presentando un morsetto di uscita elettricamente collegato ad un morsetto d'ingresso di un regolatore di velocità, detto regolatore di velocità presentando un morsetto di uscita elettricamente collegato ad un secondo nodo sommatore , detto secondo nodo sommatore presentando un sesto morsetto d’ingresso elettricamente collegato ad un morsetto di uscita di detto circuito moltiplicatore/divisore, detto secondo nodo sommatore comprendendo un morsetto di uscita elettricamente collegato con un morsetto d'ingresso di un regolatore di corrente, detto regolatore di corrente presentando un morsetto di uscita elettricamente collegato ad un terzo nodo sommatore, detto terzo nodo sommatore presentando un settimo morsetto d'ingresso elettricamente collegato ad un morsetto di uscita di un quarto nodo sommatore ed un morsetto di uscita elettricamente collegato ad un morsetto d'ingresso di un regolatore di scorrimento, detto regolatore di scorrimento comprendendo un morsetto d’uscita elettricamente collegabile a detto inverter ed elettricamente collegabile ad un quarto nodo sommatore, detto quarto nodo sommatore comprendendo un ottavo morsetto di ingresso per un segnale misurato su detto motore elettrico asincrono.
4. 4. Dispositivo, secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto circuito di regolazione di tensione comprende un quinto nodo sommatore presentante un nono morsetto d'ingresso per un segnale proveniente da un selettore azionabile da un operatore ed un decimo morsetto d'ingresso per un segnale proveniente da detto circuito moltiplicatore/divisore rapportato al segnale proveniente da detto quarto nodo sommatore , detto quinto nodo sommatore comprendendo un morsetto d'uscita elettricamente collegabile ad un morsetto d'ingresso di un regolatore di flusso, detto regolatore di flusso presentando un morsetto di uscita elettricamente collegabile a detto inverter.
5. 5. Dispositivo di misura e controllo particolarmente per motori elettrici asincroni caratterizzato dal fatto di comprendere una o più delle caratteristiche sopra descritte e/o illustrate.