ITTO20070458A1 - Sistema di controllo della rotazione a regime di un motore elettrico sincrono - Google Patents

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Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo: "Sistema di controllo della rotazione a regime di un motore elettrico sincrono"
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un sistema per il controllo della rotazione a regime (ovvero in condizione di sincronismo) del rotore di un motore elettrico di tipo sincrono, con o senza sensori di posizione .
Uno scopo della presente invenzione è di realizzare un tale sistema di controllo che sia di semplice ed economica realizzazione, e che presenti un funzionamento affidabile.
Questo ed altri scopi vengono realizzati secondo l'invenzione con un sistema di controllo le cui caratteristiche principali sono definite nella rivendicazione 1.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
la figura 1 è uno schema elettrico, in parte a blocchi, di un sistema di controllo per un motore elettrico sincrono secondo la presente invenzione;
la figura 2 è una rappresentazione parziale del sistema di controllo del motore, in cui è esplicitato un circuito equivalente dell'avvolgimento di statore; e
la figura 3 è un diagramma che presenta andamenti esemplificativi di grandezze elettriche e segnali nel sistema della figura 1 nella condizione di rotazione a regime, cioè di rotazione alla velocità di sincronismo.
Con M nella figura 1 è complessivamente indicato un motore elettrico sincrono, ad esempio un motore per una pompa di una macchina lavastoviglie.
Il motore M comprende un rotore R a magneti permanenti, ed uno statore S includente un avvolgimento W.
Il motore M può essere costruttivamente del tipo illustrato e descritto ad esempio nella domanda di brevetto europeo EP 0207 430 Al o nel brevetto europeo EP 0851 570 B1.
Al motore M è associato un sistema di controllo complessivamente indicato con CS.
Il sistema di controllo CS comprende un interruttore elettronico che nell'esempio illustrato è un triac TR che è collegato in serie all'avvolgimento W del motore M, fra due terminali A e B destinati ad essere collegati ad una sorgente di tensione di alimentazione V in corrente alternata, quale l'usuale rete elettrica di distribuzione a 50(60) Hz.
Il triac TR ha il gate G collegato ad un'uscita di un microcontrollore MC.
Il sistema di controllo CS comprende inoltre un primo circuito rilevatore indicato con 1. Tale circuito è un rivelatore di tensione ed ha 1'ingresso collegato ai capi dell'avvolgimento di statore W e l'uscita collegata al microcontrollore MC.
Come risulterà più chiaramente dal seguito, in determinate condizioni operative la tensione ai capi dell'avvolgimento di statore W del motore M è rappresentativa dell'intensità della forza controelettromotrice (FCEM) sviluppata su tale avvolgimento, mentre in altre condizioni tale tensione corrisponde alla tensione di alimentazione V.
Il sistema di controllo CS comprende poi ancora un secondo circuito rilevatore 2, avente 1<1>ingresso collegato fra l'avvolgimento di statore W ed il triac TR, e l'uscita collegata al microcontrollore MC. Tale rilevatore è atto a fornire un segnale VQIindicativo di quando è nulla la corrente I fluente operativamente nell'avvolgimento di statore w.
I circuiti rilevatori 1 e 2 possono essere eventualmente integrati, parzialmente o totalmente, nel microcontrollore MC.
Nella figura 1 con PS è infine indicato un alimentatore di tensione in corrente continua, collegato fra i terminali di alimentazione A e B per rendere operativamente disponibile una tensione continua di alimentazione Vcc. L'alimentazione di tensione PS crea internamente un riferimento di massa GND per il sistema di controllo CS.
II microcontrollore MC è predisposto per pilotare il triac TR in modo tale per cui quando il motore M opera a regime, il triac TR è reso conduttivo soltanto quando il segno o verso della corrente I fluente nell'avvolgimento W e il segno o polarità della forza controelettromotrice sviluppata su tale avvolgimento W sono tali da soddisfare una relazio ne predeterminata.
In particolare, assumendo che la corrente I sia positiva quando fluisce nel verso indicato dalle frecce nelle figure 1 e 2, e assumendo che il segno della forza controelettromotrice E sia positivo quando la sua polarità positiva è rivolta al terminale di alimentazione A, il controllo realizzato dal microcontrollore MC è tale per cui il triac TR viene reso conduttivo in modo tale che il segno della corrente I sia concorde con il segno della forza controelettromotrice E ovvero che si ottenga simultaneamente
I>0 ed E>0, oppure I<0 ed E<0 (1)
Nella figura 2, l'avvolgimento W è rappresentato mediante il suo circuito equivalente (circuito equivalente di Thevenin). In tale rappresentazione Rwe Lwrappresentano la resistenza e l'induttanza dell'avvolgimento W, E rappresenta la forza controelettromotrice sviluppata su tale avvolgimento, e RFrappresenta la resistenza dovuta alle perdite nel circuito magnetico associato all<1>avvolgimento di statore W.
Con riferimento alla figura 2, se con Vwsi indica la tensione ai capi dell'avvolgimento di statore W (che viene applicata all'ingresso del circuito rivelatore 1 della figura 1) e con VTRsi indica la tensione ai capi del triac TR (ritenuta positiva quando la sua polarità positiva è rivolta al terminale A), si ha che
Vw = V-VTK = RwI+Lwdl/dt E (2 )
Dalla relazione (2) sopra riportata, risulta che quando il triac TR non è conduttivo, e dunque la corrente I nel motore M è nulla (1=0), si ha che V„ = E = V-VTK(3)
ovvero la tensione Vwacquisita in tale condizione dal microcontrollore MC attraverso il circuito rivelatore 1 rappresenta l'intensità della forza controelettromotrice E. Quando invece il triac TR è conduttivo la tensione Vwcorrisponde essenzialmente alla tensione di alimentazione V.
Il sistema di controllo CS può dunque essere predisposto per acquisire la forza elettromotrice E, ad esempio nel modo seguente: il circuito rilevatore 3 segnala al microcontrollore MC il verificarsi della condizione di corrente I nulla, ed in tale condizione il microcontrollore MC può interpretare il segnale fornito dal circuito rilevatore 1 come rappresentativo della forza controelettromotrice E.
Altri modi di acquisizione/determinazione della forza elettromotrice Ξ possono peraltro essere utilizzati, senza l'impiego del circuito rilevatore 2.
Come sopra descritto, la forza controelettromotrice E può essere acquisita negli intervalli di tempo in cui è nulla la corrente I. Tali intervalli, come apparirà più chiaramente dal seguito, possono essere agevolmente desunti osservando la tensione VTRai capi del triac TR: in effetti, se in valore assoluto si ha che VTRè maggiore di ad esempio IV, allora il triac TR è spento e vale la relazione (3) sopra riportata, diversamente se VTRè minore di IV si ha I ≠ o.
Per il vero la forza controelettromotrice E è in linea di princìpio desumibile anche quando si ha I ≠ 0, ma in tal caso essa può essere ricavata ad esempio risolvendo l'equazione differenziale
Lwdl/dt = Vw- E - RWI (4)
il che è più complicato.
E<1>da notare che quando la corrente I nel motore M si annulla, il triac TR si spegne automaticamente e la tensione ai suoi capi VTRpassa pressoché istantaneamente da un valore pari a circa ±1V a un valore che secondo la relazione (3) è pari a V-E.
Si descriverà ora il funzionamento del sistema di controllo CS secondo l'invenzione, con particolare riferimento ai grafici della figura 3.
Si suppone inizialmente che il rotore R del motore M sia stato messo in rotazione nel verso desiderato, in uno dei vari modi per sé noti, e si sia già esaurita la fase di transitorio durante la quale la velocità angolare di tale rotore passa dal valore nullo al valore di sincronismo corrispondente alla frequenza della tensione di alimentazione V.
Nella condizione di funzionamento a regime, il microcontrollore MC pilota il triac TR in modo tale da provocare il passaggio nell'avvolgimento di statore W di una corrente I alternata, isofreguenziale, con la tensione di alimentazione V. Come si vede nel secondo grafico dall'alto nella figura 3, la corrente alternata I che passa nell'avvolgimento W presenta porzioni II e 12 alternatamente positive e negative, separate da intervalli di permanenza a zero aventi una durata tp.
La corrente I è duncfue parzializzata. La parzializzazione ha l'effetto di ridurre il valore efficace della corrente I, consentendo un'azione di rifasamento fra la forza controelettromotrice E e la corrente, con conseguente riduzione delle perdite nel rame e corrispondente incremento del rendimento .
Il sistema di controllo secondo l'invenzione prevede che la durata tpdegli intervalli di permanenza a zero della corrente I vari secondo una funzione crescente dell'ampiezza della tensione di alimentazione V, rilevata o calcolata.
Il microcontrollore MC utilizza la lettura della tensione di rete V, realizzata tramite il circuito rilevatore di tensione 1, e regola di conseguenza l'istante di riaccensione del triac TR rispetto all'istante di annullamento della semionda di corrente precedente.
Per un motore elettrico M di caratteristiche note, e noti i range ammissibili della tensione di alimentazione e del carico applicato all'albero del motore, è possibile definire un valore minimo della tensione a partire dal quale la durata tpdell'intervallo di permanenza a zero della corrente I prende a crescere linearmente in funzione dell'ampiezza della tensione di alimentazione, e determinare quindi la pendenza della relazione funzionale che correla tali parametri.
Definito il carico nominale del motore M, la relazione funzionale che lega la tensione di alimentazione V e il tempo tpè tale da massimizzare il rendimento del motore elettrico M e renderlo indipendente dal valore della tensione di alimentazione V. Tale regolazione garantisce inoltre la stabilità del sistema anche a fronte di variazioni della tensione di alimentazione V e del carico meccanico. Per valori del carico differenti dal.valore nominale (per il quale il rendimento è ottimizzato)il motore M presenta comunque una efficienza elevata e costante mantenendo costante, la potenza assorbita indipendentemente dalle variazioni della tensione di alimentazione. Ciò è possibile grazie alla capacità intrinseca del sistema di adattarsi alle variazioni di carico variando la relazione di fase tra la tensione di alimentazione V e la prima armonica della corrente parzializzata I.
Una caratteristica importante del sistema di controllo secondo l'invenzione, risiede nel fatto che il ritardo di accensione tpdel triac TR non è riferito al passaggio per lo zero della tensione di alimentazione V, bensì all'istante di annullamento della precedente semionda della corrente I, rendendo possibile 1'autoadattamento alle variazioni del la tensione di alimentazione e del carico mediante la variazione del ritardo fra la tensione di alimentazione V e la prima armonica della corrente parzializzata I.
Se il ritardo di riaccensione tpdel triac TR fosse riferito allo zero-crossing della tensione di alimentazione V, come avviene in molti sistemi utilizzati ad esempio per la regolazione di luminosità di lampade ad incandescenza, o per la parzializzazione di motori PSC, ed avesse una durata funzione della tensione di alimentazione, allora, in presenza dì variazioni del carico meccanico, il sistema non sarebbe più in grado di autoadattarsi, in quanto il fattore di potenza del sistema (definito come il coseno dell'angolo di ritardo fra lo zerocrossing della tensione V e lo zero-crossing della prima armonica della corrente I, indicato con tgnella figura 3) non è in grado di variare: infatti, un aumento del carico meccanico contribuirebbe ad aumentare l'ampiezza della corrente parzializzata I, ma non a cambiare, se non in misura irrilevante, la durata tpdell'intervallo di permanenza a zero della stessa.
Con il sistema di controllo secondo la presente invenzione tale limitazione viene meno, ed il sistema è in grado di autoadattarsi anche a fronte di variazioni di carico, in crescita o in diminuzione, garantendo rendimenti elevati, di poco diversi dal rendimento massimo di progetto che si ha in condizioni di carico nominale.
Secondo un'ulteriore opzione, il microcontrollore MC può essere predisposto per acquisire l'ampiezza della forza controelettromotrice E sviluppata sull'avvolgimento di statore W e per modificare quindi la durata tpdegli intervalli di permanenza a zero della corrente I anche secondo una funzione predeterminata dell'ampiezza della forza controelettromotrice E. Questa modalità di attuazione del controllo consente di assicurare che la coppia sviluppata sia sempre solo positiva, e mai negativa, con riduzione del rumore di funzionamento. Inoltre, l'acquisizione dell'ampiezza della forza controelettromotrice E durante gli intervalli di permanenza a zero della corrente, consente al microcontrollore MC di poter rilevare se il rotore R è effettivamente mantenuto in rotazione.
Secondo una ulteriore opzione, il tempo tppuò essere convenientemente regolato in modo tale che esso non vari nell'ambito di un singolo periodo della tensione di alimentazione V, ìndipendentemente dall'ampiezza di tale tensione e/o della forza controelettromotrice E {ossia in modo tale che l'intervallo di permanenza a zero della corrente I successivo alla semionda di corrente positiva II sia imposto uguale all'intervallo di permanenza a zero della corrente successivo alla semionda di corrente negativa 12}: ciò permette di evitare indesiderati sbilanciamenti della forma d'onda della corrente I.
Ulteriore opzione volta a eliminare indesiderati sbilanciamenti della forma d'onda della corrente I prevede di mantenere il tempo intercorrente tra due successive accensioni del trìac TC {relative allo stesso periodo della tensione di alimentazione V) minore o al più uguale alla metà del periodo della tensione di alimentazione V (ad esempio, per applicazioni a 50Hz tale semiperiodo corrisponde a 10ms).
Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito dell’invenzione, come definito nelle annesse rivendicazioni.

Claims (4)

  1. RIVENDICAIIONI 1. Sistema di controllo della rotazione a regime di un motore elettrico (M) di tipo sincrono, comprendente un interruttore elettronico (TR) operativamente collegato in serie ad un avvolgimento dì statore (W) del motore (M), fra un primo ed un secondo terminale {A, B) destinati ad essere collegati ad una sorgente di tensione alternata di alimentazione (V), primi mezzi rilevatori (2) atti a fornire un segnale (V0i) indicativo di quando è nulla la corrente (I) in detto avvolgimento (W), secondi mezzi rilevatori (1) atti a fornire un segnale (Vw) indicativo dell'ampiezza della tensione di alimentazione {v), e mezzi di controllo (MC) collegati ai primi ed ai secondi mezzi rilevatori (2; 1), e predisposti per pilotare 1<1>interruttore elettronico (TR) in modo tale da provocare il passaggio nell'avvolgimento di statore (W) di una corrente alternata (I) isofrequenziale con la tensione di alimentazione (V) e presentante porzioni (II, 12) alternatamente positive e negative, separate da intervalli di permanenza a zero, aventi una durata (tp) che varia se condo una funzione crescente dell'ampiezza della tensione di alimentazione (V).
  2. 2 . Sistema di controllo secondo la rivendicazione 1, comprendente mezzi rilevatori (1) atti a fornire un segnale (Vw) indicativo dell’ampiezza della forza controelettromotrice (E) sviluppata su detto avvolgimento (W), ed in cui i mezzi di controllo (MC) sono predisposti per modificare la durata (tp) degli intervalli di permanenza a zero della corrente (I) nell’avvolgimento di statore (W) anche secondo una funzione predeterminata dell'ampiezza di detta forza controelettromotrice {E}; e verificare la perdita dì sincronismo del motore {M).
  3. 3. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui i mezzi di controllo (MC) sono predisposti per modificare la durata (tp) degli intervalli di permanenza a zero della corrente {1} nell'avvolgimento (W) in modo tale per cui detta durata (tp) non vari nell'ambito di un singolo periodo della tensione di alimentazione (V) indipendentemente dall'ampiezza di tale tensione (V) e/o della forza controelettromotrice (E).
  4. 4. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 1 ο 2, in cui i mezzi di controllo (MC) sono predisposti per modificare la durata (tp) degli intervalli di permanenza a zero della corrente (I) nell'avvolgimento (W) in modo tale da ottenere che il tempo intercorrente tra due successive accensioni dell'interruttore elettronico (TR), relative ad uno stesso periodo della tensione di alimentazione (V), sia minore o al più uguale alla metà del periodo della tensione di alimentazione (V).
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