ITMI20122053A1 - Macchina elettrica comprendente un motore elettrico a corrente alternata ed un inverter - Google Patents

Macchina elettrica comprendente un motore elettrico a corrente alternata ed un inverter Download PDF

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ITMI20122053A1
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Description

DESCRIZIONE
“Macchina elettrica comprendente un motore elettrico a corrente alternata ed un inverter"
La presente invenzione riguarda in generale il settore delle macchine elettriche. In particolare, la presente invenzione riguarda una macchina elettrica comprendente un motore elettrico a corrente alternata (in particolare, ma non esclusivamente, un motore elettrico trifase) ed un inverter atto ad alimentare detto motore elettrico.
Come à ̈ noto, un motore elettrico trifase comprende uno statore che genera un campo magnetico rotante con frequenza di rotazione fRed un rotore che genera un campo magnetico stazionario. Il campo magnetico stazionario del rotore nel tempo tende a restare allineato al campo magnetico rotante generato dallo statore, inducendo così una rotazione del rotore rispetto allo statore con frequenza di rotazione fR.
Per generare il campo magnetico rotante, lo statore tipicamente comprende tre avvolgimenti alimentati da una corrente elettrica trifase. Ciascun avvolgimento in particolare à ̈ alimentato con una rispettiva corrente di fase periodica avente periodo 1/fRe fase di 120° rispetto alle correnti di fase che alimentano gli altri due avvolgimenti.
La corrente trifase che alimenta gli avvolgimenti à ̈ in genere fornita da un inverter.
Come à ̈ noto, un inverter à ̈ un dispositivo atto a convertire una tensione continua in una tensione alternata. A questo scopo, un inverter in genere comprende uno o più rami di inverter posti in parallelo. Ciascun ramo tipicamente comprende due interruttori (ad esempio, due transistori BJT) posti in serie e commutabili tra stato aperto e stato chiuso. Ogni interruttore à ̈ a sua volta posto in configurazione anti-parallela con un rispettivo diodo. I diversi rami dell'inverter sono collegati tra loro in parallelo e sono collegati ad un generatore di tensione continua. Gli interruttori di ciascun ramo vengono alternativamente aperti e chiusi in modo che il ramo fornisca una tensione alternata nel proprio punto medio (ossia il punto compreso tra i due interruttori del ramo).
Per alimentare un motore trifase, ciascun avvolgimento dello statore viene collegato ad uno o più rami di inverter, in modo che la tensione fornita dal/i ramo/i di inverter induca una corrente di fase attraverso l'avvolgimento. Rami di inverter collegati ad uno stesso avvolgimento vengono pilotati in fase tra loro. Rami di inverter collegati ad avvolgimenti diversi sono invece pilotati con uno sfasamento reciproco di 120° rispetto alla frequenza di rotazione fR. Per massimizzare l'efficienza del motore elettrico (ossia minimizzare la potenza che dissipa), à ̈ necessario che ciascun avvolgimento sia alimentato con una corrente di fase avente una forma d'onda la più simile possibile a quella di una sinusoide con frequenza fR. In altre parole, à ̈ necessario minimizzare l'ampiezza delle armoniche superiori della forma d'onda di ciascuna corrente di fase.
Per raggiungere questo scopo, Ã ̈ noto di utilizzare la tecnica PWM (in inglese, "Pulse Width Modulation"). Questa tecnica prevede di pilotare ciascun ramo di inverter in modo che la tensione che esso genera abbia la forma di una sequenza di impulsi sostanzialmente rettangolari con una frequenza di impulso fPmaggiore della frequenza di rotazione fR(la frequenza di impulso fPessendo definita come il reciproco del tempo che intercorre tra i fronti di salita di due impulsi consecutivi).
Poiché ciascun avvolgimento dello statore à ̈ sostanzialmente un'induttanza, la tensione generata dal/i ramo/i di inverter al/i quale/i à ̈ collegato induce attraverso di esso una corrente di fase proporzionale all'integrale della tensione stessa. Modulando in modo opportuno la durata degli impulsi di tensione, à ̈ quindi possibile fare in modo che la corrente di fase che attraversa l'avvolgimento approssimi una sinusoide di frequenza fR. Maggiore à ̈ il rapporto tra la frequenza di impulso fPe la frequenza di rotazione del motore fR, maggiore à ̈ la precisione dell'approssimazione che si riesce ad ottenere, e quindi minore à ̈ la potenza dissipata dal motore.
All'aumentare della frequenza di impulso fP, tuttavia, aumenta la potenza dissipata dallo stesso inverter. Sebbene infatti l'inverter dissipi una potenza molto ridotta in condizioni stazionarie (ossia quando i due interruttori di ciascun ramo si trovano in stato aperto o in stato chiuso), la commutazione degli interruttori tra stato aperto e stato chiuso comporta una dissipazione di potenza, la quale aumenta all'aumentare della frequenza alla quale gli interruttori vengono commutati.
Nel caso quindi di motori per applicazioni ad alta velocità (ossia motori la cui frequenza di rotazione fRcorrisponde a 30.000 – 300.000 giri al minuto), o per motori a molti poli, per minimizzare la potenza dissipata dal motore à ̈ necessario pilotare i rami di inverter con una frequenza di impulso fPestremamente elevata, aumentando così in modo consistente la potenza dissipata dall'inverter.
Alla luce di quanto sopra, scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire una macchina elettrica comprendente un motore elettrico a corrente alternata (in particolare, ma non esclusivamente, un motore elettrico trifase) ed un inverter atto ad alimentare detto motore, che risolva il problema sopra menzionato, ossia che permetta di ridurre la potenza dissipata dal motore per effetto della presenza di armoniche superiori nella corrente di alimentazione e/o la potenza dissipata dall'inverter per effetto della commutazione dei suoi interruttori.
Secondo forme di realizzazione della presente invenzione, questo scopo à ̈ raggiunto da una macchina elettrica il cui motore comprende due semiavvolgimenti per fase, anziché un unico avvolgimento per fase. Ciascun semi-avvolgimento à ̈ alimentato da un rispettivo ramo di inverter. I due rami di inverter che alimentano i due semi-avvolgimenti associati ad una stessa fase sono pilotati in modo da generare rispettive sequenze di impulsi di tensione con una stessa frequenza di impulso fP, le quali inducono nei due semi-avvolgimenti due correnti di fase associate alla stessa fase, che sono proporzionali agli integrali delle due sequenze di impulsi di tensione. I due rami di inverter sono pilotati in contro-fase (ossia in modo sfasato di 180°) rispetto alla frequenza di impulso fP, ossia sono reciprocamente ritardati nel tempo l'uno rispetto all'altro di 1/2fP.
In questo modo, anche le due correnti di fase associate alla stessa fase risultano ritardate nel tempo l'una rispetto all'altra di 1/2fP. La somma delle due correnti di fase associate alla stessa fase dà luogo ad una corrente di fase complessiva, la quale a sua volta induce un flusso magnetico di fase attraverso i due semi-avvolgimenti. Tale corrente di fase complessiva ed il flusso magnetico di fase da essa indotto hanno una forma d'onda che approssima una sinusoide di frequenza fR. In particolare, la forma d'onda presenta oscillazioni rispetto alla sinusoide di frequenza fR, la frequenza delle quali à ̈ 2fP, ossia il doppio di quella che si otterrebbe con un singolo avvolgimento per fase alimentato da uno o più rami di inverter pilotati in fase tra loro a frequenza fP. D'altro canto, l'ampiezza delle oscillazioni rispetto alla sinusoide à ̈ sostanzialmente la metà di quella che si otterrebbe con un singolo avvolgimento per fase alimentato da uno o più rami di inverter pilotati in fase tra loro a frequenza fP. In altre parole, a parità di frequenza di impulso fPalla quale sono pilotati i rami di inverter, si ottiene un'approssimazione molto più accurata della sinusoide di frequenza fR. Pertanto, a parità di potenza dissipata dall'inverter (ossia a parità di frequenza di impulso fP), la potenza dissipata dal motore viene diminuita in modo consistente, perché diminuisce l'ampiezza delle armoniche superiori della corrente di fase complessiva e del flusso magnetico da essa indotto.
D'altro canto, à ̈ possibile ottenere la stessa potenza dissipata dal motore (ossia la stessa ampiezza delle armoniche superiori della corrente di fase) pilotando l'inverter ad una frequenza di impulso fPsostanzialmente dimezzata, riducendo così la potenza dissipata dall'inverter.
Secondo un primo aspetto, la presente invenzione fornisce una macchina elettrica comprendente:
- un motore elettrico a corrente alternata comprendente un primo semiavvolgimento ed un secondo semi-avvolgimento;
- un inverter comprendente almeno un primo ramo di inverter elettricamente collegato al primo semi-avvolgimento ed almeno un secondo ramo di inverter elettricamente collegato al secondo semi-avvolgimento;
- un'unità di controllo atta a fornire un primo segnale di controllo al primo ramo di inverter in modo da indurre una prima corrente alternata nel primo semi-avvolgimento ed un secondo segnale di controllo al secondo ramo di inverter in modo da indurre una seconda corrente alternata nel secondo semi-avvolgimento, la prima corrente alternata e la seconda corrente alternata avendo una prima frequenza fR, il primo segnale di controllo ed il secondo segnale di controllo avendo una seconda frequenza fPminore della prima frequenza fRed essendo reciprocamente sfasati di 180° rispetto alla seconda frequenza fP.
Preferibilmente, il motore elettrico a corrente alternata à ̈ un motore elettrico trifase e la somma della prima corrente alternata e della seconda corrente alternata à ̈ una fase di una corrente trifase.
Preferibilmente, il primo semi-avvolgimento ed il secondo semiavvolgimento sono elettricamente collegati secondo una configurazione a stella o a triangolo.
Preferibilmente, il primo semi-avvolgimento ed il secondo semiavvolgimento sono disposti in modo da agire come avvolgimento primario ed avvolgimento secondario di un trasformatore.
Preferibilmente, il primo semi-avvolgimento ed il secondo semiavvolgimento hanno uno stesso valore di induttanza elettrica.
Secondo forme di realizzazione preferite, l'inverter comprende un numero N≥1 di primi rami di inverter elettricamente collegati al primo semiavvolgimento e uno stesso numero N≥1 di secondi rami di inverter elettricamente collegati al secondo semi-avvolgimento.
Preferibilmente, ciascuno del primo ramo di inverter e secondo ramo di inverter comprende:
- un primo interruttore;
- un secondo interruttore posto in serie al primo interruttore;
- un primo diodo posto in configurazione anti-parallela con il primo interruttore; ed
- un secondo diodo posto in configurazione anti-parallela con il secondo interruttore,
il primo interruttore ed il secondo interruttore essendo collegati all'unità di controllo ed essendo atti a commutare tra uno stato aperto e uno stato chiuso.
Preferibilmente, il primo segnale di controllo à ̈ configurato per fare in modo che il primo ramo di inverter fornisca una prima tensione ai capi del primo semi-avvolgimento ed il secondo segnale di controllo à ̈ configurato per fare in modo che il secondo ramo di inverter fornisca una seconda tensione ai capi del secondo semi-avvolgimento, la prima tensione e la seconda tensione avendo una stessa forma d'onda ed essendo reciprocamente ritardate nel tempo di 1/2fP.
Preferibilmente, la forma d'onda comprende una sequenza di impulsi con frequenza di impulso uguale alla seconda frequenza fP.
Secondo un secondo aspetto, la presente invenzione fornisce un metodo per alimentare un motore elettrico a corrente alternata comprendente un primo semi-avvolgimento ed secondo semi-avvolgimento tramite un inverter comprendente almeno un primo ramo di inverter elettricamente collegato al primo semi-avvolgimento ed almeno un secondo ramo di inverter elettricamente collegato al secondo semi-avvolgimento, il metodo comprendendo:
- fornire un primo segnale di controllo al primo ramo di inverter in modo da indurre una prima corrente alternata nel primo semi-avvolgimento; e - fornire un secondo segnale di controllo al secondo ramo di inverter in modo da indurre una seconda corrente alternata nel secondo semiavvolgimento, la prima corrente alternata e la seconda corrente alternata avendo una prima frequenza fR,
in cui il primo segnale di controllo ed il secondo segnale di controllo hanno una seconda frequenza fPminore della prima frequenza fRe sono reciprocamente sfasati di 180° rispetto alla seconda frequenza fP.
La presente invenzione diverrà più chiara alla luce della seguente descrizione dettagliata, fornita a titolo esemplificativo e non limitativo, da leggersi con riferimento ai disegni acclusi in cui:
- la Figura 1 mostra schematicamente una macchina elettrica secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
- la Figura 2 Ã ̈ uno schema elettrico di una porzione della macchina elettrica mostrata in Figura 1;
- la Figura 3 Ã ̈ un diagramma temporale della tensione fornita da un ramo di inverter e della corrente di fase indotta da questa tensione in uno dei semi-avvolgimenti mostrati nelle Figure 1 e 2; e
- la Figura 4 Ã ̈ un grafico che mostra il risultato di una simulazione numerica relativa al funzionamento della macchina di Figura 1.
La Figura 1 mostra una macchina elettrica 1 secondo una forma di realizzazione della presente invenzione. La macchina elettrica 1 preferibilmente comprende un motore elettrico 2, un inverter 3 ed un'unità di controllo 4.
Il motore elettrico 2 preferibilmente à ̈ un motore a corrente alternata, più preferibilmente un motore elettrico trifase.
In particolare, il motore elettrico 2 preferibilmente comprende uno statore 20 ed un rotore 21. Lo statore 20 preferibilmente definisce una cavità 22 all'interno della quale il rotore 21 à ̈ alloggiato in modo girevole attorno ad un asse di rotazione Z. Il rotore 21 preferibilmente comprende mezzi per generare un campo magnetico stazionario (non mostrati in Figura 1).
Lo statore 20 preferibilmente comprende tre coppie di semi-avvolgimenti (ossia una per ogni fase) 231a/231b, 232a/232b, 233a/233b disposte in posizioni angolarmente spaziate di 120° in direzione circonferenziale. Preferibilmente, i due semi-avvolgimenti di ciascuna coppia sono disposti in modo da agire come avvolgimento primario e secondario di un trasformatore. Ad esempio, i due semi-avvolgimenti di ciascuna coppia possono essere alloggiati in una stessa cavità dello statore 20. I semi-avvolgimenti 231a/231b, 232a/232b, 233a/233b preferibilmente hanno le stesse caratteristiche elettriche, in particolare hanno una stessa induttanza. I semiavvolgimenti 231a/231b, 232a/232b, 233a/233b sono preferibilmente collegati tra loro secondo una configurazione a stella, ossia hanno una prima estremità collegata ad un centro stella S, come mostrato in Figura 2. Secondo forme di realizzazione non mostrate nei disegni, i semi-avvolgimenti 231a/231b, 232a/232b, 233a/233b possono essere collegati tra loro secondo una configurazione a triangolo.
Come mostrato in Figura 2, l'inverter 3 preferibilmente comprende un numero di rami di inverter paralleli. In particolare, l'inverter 3 preferibilmente comprende uno stesso numero N≥1 di rami di inverter paralleli per ciascun semi-avvolgimento del motore elettrico 2. A titolo esemplificativo non limitativo, l'inverter 3 mostrato in Figura 2 comprende N=1 ramo di inverter 31a/31b, 32a/32b, 33a/33b per ciascun semi-avvolgimento 231a/231b, 232a/232b, 233a/233b del motore 3.
Con riferimento ai rami di inverter 31a/31b, ciascun ramo di inverter preferibilmente comprende un primo interruttore S1a/S1b, un secondo interruttore S2a/S2b posto in serie al primo interruttore S1a/S1b, un primo diodo D1a/D1b posto in configurazione anti-parallela con il primo interruttore S1a/S1b ed un secondo diodo D2a/D2b posto in configurazione anti-parallela con il secondo interruttore S2a/S2b. Ciascun interruttore S1a/S1b ed S2a/S2b à ̈ preferibilmente collegato all'unità di controllo 4 ed à ̈ atto a riceve da essa un rispettivo segnale di controllo atto a commutare l'interruttore tra uno stato aperto ed uno stato chiuso, come verrà descritto in maggiore dettaglio qui di seguito. Le altre due coppie di rami di inverter 32a/32b, 33a/33b hanno una struttura sostanzialmente identica a quella dei rami di inverter 31a/31b, pertanto una descrizione dettagliata non sarà ripetuta. I rami di inverter 31a/31b, 32a/32b, 33a/33b sono preferibilmente tutti collegati ad uno o più generatori di tensione continua, i quali forniscono ai loro capi una tensione continua di alimentazione V.
Ciascun semi-avvolgimento 231a/231b, 232a/232b, 233a/233b à ̈ preferibilmente collegato ad un rispettivo ramo di inverter 31a/31b, 32a/32b, 33a/33b. In particolare, con riferimento ad esempio ai semi-avvolgimenti 231a/231b, ciascun semi-avvolgimento 231a/231b ha l'estremità opposta al centro stella S connessa al punto medio del ramo 31a/31b, ossia tra il primo interruttore S1a/S1b ed il secondo interruttore S2a/S2b.
Il funzionamento della macchina elettrica 1 verrà ora descritto in dettaglio, con riferimento in particolare ai semi-avvolgimenti 231a/231b ed ai rami di inverter 31a/31b che li alimentano.
Nel ramo di inverter 31a, quando il primo interruttore S1a à ̈ in stato chiuso ed il secondo interruttore S2a à ̈ in stato aperto, il ramo di inverter 31a genera ai capi del semi-avvolgimento 231a una tensione V1a=+V positiva. Quando invece il primo interruttore S1a à ̈ in stato aperto ed il secondo interruttore S2a à ̈ in stato chiuso, il ramo di inverter 31a genera ai capi del semiavvolgimento 231a una tensione V1a=-V negativa. Quando infine entrambi gli interruttori S1a, S2a sono in stato chiuso, il ramo di inverter 31a genera ai capi del semi-avvolgimento 231a una tensione V1a=0. Gli interruttori S1a ed S1b possono quindi essere commutati nel tempo tra stato aperto e stato chiuso in modo da modulare nel tempo la tensione V1a.
In particolare, preferibilmente, l'unità di controllo 4 invia ai due interruttori S1a, S2a del ramo di inverter 31a dei segnali di controllo in modo che la tensione V1a abbia forma d'onda di una sequenza di impulsi con frequenza di impulso fP, la frequenza di impulso essendo definita come l'inverso del tempo che intercorre tra i fronti di salita di due impulsi consecutivi. La frequenza di impulso fPà ̈ scelta in modo da essere maggiore della frequenza di rotazione fRdel rotore 21 che si desidera ottenere. Preferibilmente, la frequenza di impulso fPà ̈ maggiore di o uguale a 10·fR. Gli impulsi possono avere polarità positiva (ossia ampiezza V) oppure polarità negativa (ossia ampiezza –V). Gli impulsi possono inoltre avere durata o "duty cycle" variabile, come mostrato in Figura 3.
La tensione V1a induce una corrente di fase I1a attraverso il semiavvolgimento 231a. Poiché il semi-avvolgimento 231a à ̈ sostanzialmente un'induttanza dal punto di vista elettrico, la corrente di fase I1a che lo attraversa à ̈ proporzionale all'integrale della tensione Va1 generata dal ramo di inverter 31a. La corrente di fase I1a ha pertanto una forma d'onda che dipende dalla polarità e dalla durata o "duty cycle" degli impulsi della tensione V1a. Preferibilmente, i segnali di controllo forniti dall'unità di controllo 4 agli interruttori S1a, S2a sono scelti in modo che la corrente di fase I1a abbia forma d'onda di una spezzata che approssima una sinusoide SIN di frequenza fR, come mostrato in Figura 2.
Il ramo di inverter 31b ed il semi-avvolgimento 231b collegato ad esso hanno un funzionamento analogo a quanto descritto sopra. In altre parole, l'unità di controllo 4 preferibilmente invia anche agli interruttori S1b, S2b dei segnali di controllo atti a commutare gli interruttori S1b, S2b tra stato chiuso e stato aperto, in modo da generare una tensione V1b che induce attraverso il semi-avvolgimento 231b una corrente di fase I1b proporzionale all'integrale della tensione V1b. Preferibilmente, gli interruttori S1b, S2b sono pilotati in modo che la corrente di fase I1b abbia anch'essa forma d'onda di una spezzata che approssima la sinusoide SIN di frequenza fR.
Tuttavia, secondo forme di realizzazione della presente invenzione, gli interruttori S1b, S2b del ramo di inverter 31b sono pilotati in controfase (ossia sfasati di 180°) rispetto agli interruttori S1a, S2a del ramo di inverter 31a. In altre parole, i segnali di controllo che l'unità di controllo 4 invia agli interruttori S2a, S2b sono identici ai segnali di controllo che l'unità di controllo invia agli interruttori S1a, S1b, ma sono ritardati nel tempo rispetto ad essi di 1/2fP. In questo modo, la tensione V1a generata dal ramo di inverter 31a e la tensione V1b generata dal ramo di inverter 31b hanno forme d'onda identiche (ossia la stessa sequenza di impulsi), ma ritardate nel tempo l'una rispetto all'altra di 1/2fP. Di conseguenza, la corrente di fase I1a e la corrente di fase I1b hanno anch'esse forme d'onda uguali (ossia la stessa spezzata che approssima la sinusoide SIN di frequenza fR), ma ritardate nel tempo l'una rispetto all'altra di 1/2fP.
La somma delle due correnti di fase I1=I1a+I1b à ̈ quindi anch'essa una spezzata che approssima la sinusoide SIN di frequenza fR. Tuttavia, grazie allo sfasamento reciproco di 180° delle due correnti di fase I1a e I1b nella base dei tempi della frequenza di impulso fP, la corrente di fase I1 complessiva approssima la sinusoide SIN in modo molto più accurato. In particolare, l'accuratezza dell'approssimazione (ossia l'ampiezza delle armoniche superiori) à ̈ paragonabile a quella che si otterrebbe con un solo avvolgimento di fase alimentato da un unico ramo di inverter pilotato con frequenza di impulso 2fP.
La Figura 4 à ̈ un grafico che mostra i risultati di una simulazione numerica eseguita dagli inventori. La corrente Icomp à ̈ una corrente di fase comparativa che attraversa un avvolgimento alimentato da un unico ramo di inverter pilotato con frequenza di impulso fP. La corrente I1 à ̈ invece la corrente di fase ottenuta come somma di due correnti di fase che attraversano due semi-avvolgimenti collegati a stella ed alimentati da due rami di inverter pilotati con frequenza di impulso fPed in controfase. Come si può vedere dal grafico, le oscillazioni della corrente I1 (ripple) rispetto alla sinusoide SIN hanno ampiezza sostanzialmente dimezzata rispetto alle oscillazioni della corrente comparativa Icomp ed una frequenza doppia 2fP. Questo significa che, a parità di potenza dissipata dall'inverter 3 (ossia a parità di frequenza di impulso fP), la potenza dissipata dal motore elettrico 2 à ̈ vantaggiosamente diminuita. Analogamente, à ̈ possibile ottenere la stessa potenza dissipata dal motore 2 (ossia la stessa accuratezza di approssimazione della sinusoide SIN) diminuendo la frequenza di impulso fP, e quindi la potenza dissipata dall'inverter 3.
Il funzionamento delle altre coppie di rami di inverter 32a/32b, 33a/33b à ̈ preferibilmente analogo a quello della coppia di rami di inverter 31a/31b. In particolare, l'unità di controllo 4 preferibilmente invia agli interruttori dei rami 32a e 32b dei segnali di controllo identici ma reciprocamente sfasati di 180° (ossia ritardati nel tempo l'uno rispetto all'altro di 1/2fP), in modo che le correnti di fase che attraversano i due semi-avvolgimenti 232a e 232b abbiano forme d'onda uguali (ossia una spezzata che approssima la sinusoide SIN di frequenza fR) e ritardate nel tempo l'una rispetto all'altra di 1/2fP. Analogamente, l'unità di controllo 4 preferibilmente invia agli interruttori dei rami 33a e 33b dei segnali di controllo identici ma reciprocamente sfasati di 180° (ossia ritardati nel tempo l'uno rispetto all'altro di 1/2fP), in modo che le correnti di fase che attraversano i due semi-avvolgimenti 233a e 233b abbiano forme d'onda uguali (ossia una spezzata che approssima la sinusoide SIN di frequenza fR) e ritardate nel tempo l'una rispetto all'altra di 1/2fP.
I segnali di controllo forniti dall'unità di controllo 4 alle coppie di rami 31a/31b, 32a/32b e 33a/33b sono inoltre reciprocamente sfasati di 120° rispetto alla frequenza di rotazione fR. In questo modo, le tre coppie di semiavvolgimenti 231a/231b, 232a/232b, 233a/233b forniscono una corrente alternata trifase comprendente tre correnti di fase I1, I2, I3 complessive approssimativamente sinusoidali con frequenza fRe reciprocamente sfasate di 120°, ciascuna delle quali presenta oscillazioni con frequenza 2fPrispetto alla sinusoide SIN. Questa corrente alterata trifase genera un campo magnetico rotante con frequenza di rotazione fR, il quale induce una rotazione del rotore 21 rispetto allo statore 20 (indicata dalla freccia A in Figura 1).
La macchina elettrica sopra descritta presenta diversi vantaggi.
Innanzitutto, come discusso sopra, a parità di potenza dissipata dall'inverter 3 à ̈ possibile ridurre la potenza dissipata dal motore elettrico 2. A parità di frequenza di impulso fP, le correnti di fase fornite da ciascuna coppia di semi-avvolgimenti approssimano infatti in modo molto più accurato una sinusoide ideale rispetto alla corrente di fase generata da un singolo avvolgimento, in quanto presenta oscillazioni di frequenza doppia ed ampiezza sostanzialmente dimezzata. D'altro canto, a parità di potenza dissipata dal motore 2, à ̈ possibile ridurre la potenza dissipata dall'inverter 3. È infatti possibile ottenere correnti di fase che approssimano una sinusoide ideale con la stessa accuratezza (ossia con oscillazioni aventi stessa frequenza e stessa ampiezza) della corrente di fase generata da un singolo avvolgimento pilotando l'inverter con una frequenza di impulso fPsostanzialmente dimezzata.
Inoltre, vantaggiosamente, la macchina elettrica 1 può essere realizzata senza comportare sostanzialmente alcun costo aggiuntivo rispetto alle macchine note. Infatti, le macchine elettriche note per applicazioni ad alta velocità tipicamente comprendono due rami di inverter per ogni fase. Questo consente di pilotare l'inverter a frequenze particolarmente elevate. Tuttavia, nelle macchine note i rami di inverter associati ad una stessa fase sono pilotati in fase tra loro. Per realizzare una macchina elettrica secondo forme di realizzazione della presente invenzione, à ̈ sufficiente riconfigurare la logica dell'unità di controllo che pilota i rami di inverter, in modo che rami di inverter associati ad una stessa fase siano pilotati in controfase tra loro, e non in fase. Questa modifica tuttavia vantaggiosamente non comporta sostanzialmente alcun costo aggiuntivo nella macchina.
Inoltre, vantaggiosamente, i due semi-avvolgimenti associati ad una stessa fase si comportano come se fossero un trasformatore. Pertanto, quando in uno dei due semi-avvolgimenti scorre una corrente di fase di intensità non nulla, viene indotta una corrente anche nell'altro semiavvolgimento, indipendentemente dalla tensione generata dal ramo di inverter che lo alimenta. Quando gli interruttori di questo ramo di inverter vengono commutati per indurre una corrente di fase di intensità non nulla anche in quest'ultimo semi-avvolgimento, le perdite di commutazione sono vantaggiosamente ridotte, perché nel semi-avvolgimento scorreva già la corrente indotta.
Sebbene l'inverter 3 della macchina elettrica 1 sopra descritta comprenda un singolo ramo di inverter per ciascun semi-avvolgimento, questo non à ̈ limitativo. L'inverter infatti può comprendere un numero N≥1 di rami di inverter per ciascun semi-avvolgimento. Preferibilmente, il numero di rami di inverter che alimentano un semi-avvolgimento à ̈ uguale per tutti i semiavvolgimenti. Ad esempio, ciascun semi-avvolgimento può essere alimentato da tre rami di inverter paralleli. Rami di inverter che alimentano uno stesso semi-avvolgimento sono preferibilmente pilotati in fase tra loro.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Una macchina elettrica (1) comprendente: - un motore elettrico a corrente alternata (2) comprendente un primo semi-avvolgimento (231a) ed un secondo semi-avvolgimento (231b); - un inverter (3) comprendente almeno un primo ramo di inverter (31a) elettricamente collegato a detto primo semi-avvolgimento (231a) ed almeno un secondo ramo di inverter (31b) elettricamente collegato a detto secondo semi-avvolgimento (231b); - un'unità di controllo (4) atta a fornire un primo segnale di controllo a detto primo ramo di inverter (31a) in modo da indurre una prima corrente alternata (I1a) in detto primo semi-avvolgimento (231a) ed un secondo segnale di controllo a detto secondo ramo di inverter (31b) in modo da indurre una seconda corrente alternata (I1b) in detto secondo semi-avvolgimento (231b), detta prima corrente alternata (I1a) e detta seconda corrente alternata (I1b) avendo una prima frequenza (fR), detto primo segnale di controllo e detto secondo segnale di controllo avendo una seconda frequenza (fP) minore di detta prima frequenza (fR) ed essendo reciprocamente sfasati di 180° rispetto a detta seconda frequenza (fP).
  2. 2. La macchina elettrica (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detto motore elettrico a corrente alternata (2) Ã ̈ un motore elettrico trifase ed in cui una somma di detta prima corrente alternata (I1a) e detta seconda corrente alternata (I1b) Ã ̈ una fase (I1) di una corrente trifase.
  3. 3. La macchina elettrica (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto primo semi-avvolgimento (231a) e detto secondo semi-avvolgimento (231b) sono elettricamente collegati secondo una configurazione a stella o a triangolo.
  4. 4. La macchine elettrica (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto primo semi-avvolgimento (231a) e detto secondo semi-avvolgimento (231b) sono disposti in modo da agire come avvolgimento primario ed avvolgimento secondario di un trasformatore.
  5. 5. La macchine elettrica (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto primo semi-avvolgimento (231a) e detto secondo semi-avvolgimento (231b) hanno induttanze elettriche aventi uno stesso valore.
  6. 6. La macchina elettrica (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto inverter (3) comprende un numero N≥1 di primi rami di inverter elettricamente collegati a detto primo semi-avvolgimento (231a) e uno stesso numero N≥1 di secondi rami di inverter elettricamente collegati a detto secondo semi-avvolgimento (231b).
  7. 7. La macchina elettrica (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascuno di detto primo ramo di inverter (31a) e detto secondo ramo di inverter (31b) comprende: - un primo interruttore (S1a/S1b); - un secondo interruttore (S2a/S2b) posto in serie a detto primo interruttore (S1a/S1b); - un primo diodo (D1a/D1b) posto in configurazione anti-parallela con detto primo interruttore (S1a/S1b); ed - un secondo diodo (D2a/D2b) posto in configurazione anti-parallela con detto secondo interruttore (S2a/S2b), in cui detto primo interruttore (S1a/S1b) e detto secondo interruttore (S2a/S2b) sono collegati a detta unità di controllo (4) e sono atti a commutare tra uno stato aperto e uno stato chiuso.
  8. 8. La macchina elettrica (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto primo segnale di controllo à ̈ configurato per fare in modo che detto almeno un primo ramo di inverter (31a) fornisca una prima tensione (V1a) ai capi di detto primo semi-avvolgimento (231a) e detto secondo segnale di controllo à ̈ configurato per fare in modo che detto almeno un secondo ramo di inverter (31b) fornisca una seconda tensione (V1b) ai capi di detto secondo semi-avvolgimento (231b), detta prima tensione (V1a) e detta seconda tensione (V1b) avendo una stessa forma d'onda ed essendo reciprocamente ritardate nel tempo di 1/2fP.
  9. 9. La macchina elettrica (1) secondo la rivendicazione 8, in cui detta forma d'onda comprende una sequenza di impulsi con frequenza di impulso uguale a detta seconda frequenza (fP).
  10. 10. Un metodo per alimentare un motore elettrico a corrente alternata (2) comprendente un primo semi-avvolgimento (231a) ed secondo semiavvolgimento (231b) tramite un inverter (3) comprendente almeno un primo ramo di inverter (31a) elettricamente collegato a detto primo semiavvolgimento (231a) ed almeno un secondo ramo di inverter (31b) elettricamente collegato a detto secondo semi-avvolgimento (231b), detto metodo comprendendo: - fornire un primo segnale di controllo a detto primo ramo di inverter (31a) in modo da indurre una prima corrente alternata (I1a) in detto primo semi-avvolgimento (231a); e - fornire un secondo segnale di controllo a detto secondo ramo di inverter (31b) in modo da indurre una seconda corrente alternata (I1b) in detto secondo semi-avvolgimento (231b), in cui detta prima corrente alternata (I1a) e detta seconda corrente alternata (I1b) hanno una prima frequenza (fR), ed in cui detto primo segnale di controllo e detto secondo segnale di controllo hanno una seconda frequenza (fP) minore di detta prima frequenza (fR) e sono reciprocamente sfasati di 180° rispetto a detta seconda frequenza (fP).
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