ITTO20090166A1 - Procedimento per il monitoraggio del carico di un motore elettrico sincrono in corrente alternata con rotore a magneti permanenti - Google Patents

Description

"Procedimento per il monitoraggio del carico di un motore elettrico sincrono in corrente alternata con rotore a magneti permanenti"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale ai motori elettrici sincroni in corrente alternata con rotore a magneti permanenti.

Motori di tale tipo sono descritti ad esempio nella domanda di brevetto europeo EP 0207 430 A1 o nel brevetto europeo EP 0 851 570 B1.

Tali motori vengono ad esempio utilizzati per l'azionamento di pompe idrauliche in apparecchi elettrodomestici, per l'azionamento di pompe di circolazione o di scarico in macchine lavastoviglie.

Per tali applicazioni à ̈ conveniente poter riconoscere talune condizioni di carico del motore, quale una condizione di carico elevato (ad esempio una situazione di bloccaggio del rotore) o di carico molto basso (ad esempio quando un'associata pompa idraulica opera in condizioni di cavitazione).

Può essere inoltre conveniente conoscere l'entità del carico del motore, in modo pressoché continuo, ad esempio a scopi di retroazione.

La presente invenzione mira a soddisfare tali esigenze proponendo un procedimento per il monitoraggio a regime del carico di un motore elettrico sincrono in corrente alternata comprendente un rotore a magneti permanenti ed uno statore provvisto di almeno un avvolgimento nel quale nel funzionamento a regime (ovvero in condizione di rotazione alla velocità di sincronismo) fluisce una corrente alternata sfasata in ritardo rispetto alla tensione di alimentazione; il procedimento comprendendo in generale le operazioni di:

- rilevare una grandezza correlata alla tensione ai capi di detto almeno un avvolgimento di statore mentre l'intensità della corrente fluente in detto almeno un avvolgimento di statore à ̈ nulla, detta grandezza essendo in tale condizione rappresentativa della forza controelettromotrice indotta su detto almeno un avvolgimento di statore; e

- valutare il carico del motore secondo un criterio prestabilito in funzione del valore rilevato di detta grandezza.

Detta grandezza può essere il valore istantaneo della stessa tensione ai capi di detto almeno un avvolgimento oppure può essere l'integrale di tale tensione in un intervallo di tempo in cui detta corrente à ̈ nulla, oppure un'altra funzione ancora di detta tensione.

In un modo di attuazione il motore à ̈ pilotato a mezzo di un commutatore elettronico controllato, e una condizione di corrente nulla nell'avvolgimento di statore viene provocata causando l'interdizione o apertura di detto commutatore elettronico per un tempo prestabilito quando il valore assoluto di tale corrente à ̈ inferiore ad un valore minimo prefissato.

In un altro modo di attuazione viene rilevato l'andamento temporale della tensione di alimentazione e della suddetta corrente, e sulla base del valore rilevato della suddetta grandezza si ricostruisce l'andamento temporale della forza elettromotrice indotta nell'avvolgimento di statore, e si calcola quindi il valore istantaneo del carico del motore.

In una variante il motore à ̈ pilotato a mezzo di un triac, e una condizione di corrente nulla in detto almeno un avvolgimento viene individuata rilevando una brusca variazione della tensione ai capi di detto almeno un avvolgimento di statore.

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 Ã ̈ uno schema elettrico, in parte a blocchi, di un motore elettrico sincrono e di un associato sistema per l'attuazione del procedimento di monitoraggio del carico secondo la presente invenzione;

le figure 2 e 3 sono diagrammi vettoriali che mostrano le relazioni di fase fra la tensione di alimentazione, la forza elettromotrice indotta e la corrente fluente nell'avvolgimento di statore, in due diverse condizioni di carico del motore;

la figura 4 à ̈ un diagramma che presenta elementi esemplificativi di grandezze elettriche in un motore elettrico sincrono in una condizione di rotazione a regime, cioà ̈ di rotazione alla velocità di sincronismo.

Con M nella figura 1 Ã ̈ complessivamente indicato un motore elettrico sincrono in corrente alternata, ad esempio un motore per una pompa di circolazione o di scarico in una macchina lavastoviglie.

Il motore M comprende un rotore R a magneti permanenti, ed uno statore S includente (almeno) un avvolgimento W.

Il motore M può essere costruttivamente del tipo illustrato e descritto nei due documenti europei anteriori sopra citati.

Al motore M Ã ̈ associato un sistema di controllo complessivamente indicato con CS.

Il sistema di controllo CS comprende un commutatore elettronico TR che à ̈ collegato in serie all'avvolgimento W del motore, 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 commutatore TR ha un terminale di comando G collegato ad un'uscita di un'unità elettronica di controllo ECU.

Nell'esempio di realizzazione illustrato il sistema di controllo CS comprende un primo circuito rivelatore indicato con 1. Tale circuito à ̈ un rilevatore di tensione, ed ha l'ingresso collegato ai capi dell'avvolgimento di statore W, e l'uscita collegata all'unità ECU.

In determinate condizioni operative, ovvero quando il commutatore TR non à ̈ conduttivo, e dunque la corrente I nel motore à ̈ nulla (I=0), la tensione VWai capi dell'avvolgimento di statore W del motore M à ̈ rappresentativa dell'intensità o ampiezza della forza controelettromotrice (FCEM) E, sviluppata su tale avvolgimento.

Il sistema di controllo CS illustrato comprende poi ancora un secondo circuito rilevatore 2, atto a fornire all'unità ECU un segnale indicativo dell'intensità della corrente I fluente nell'avvolgimento W.

Nell'esempio di realizzazione mostrato nella figura 1 il circuito 2 comprende un resistore di shunt R collegato in serie all'avvolgimento W.

I circuiti rilevatori 1 e 2 possono essere eventualmente integrati, parzialmente o totalmente, nell'unità elettronica ECU.

Tale unità ECU può essere inoltre collegata ai terminali A e B, per acquisire il valore della tensione di alimentazione V.

Per il monitoraggio del carico del motore elettrico M quando questo ruota a regime, l'unità ECU à ̈ predisposta in generale per rilevare una grandezza o funzione predeterminata correlata alla tensione VWche si ha nel funzionamento ai capi dell'avvolgimento W mentre la corrente I à ̈ nulla. In una tale condizione (I=O), detta grandezza o funzione à ̈ rappresentativa dell'intensità della forza controelettromotrice E indotta nell'avvolgimento W.

La suddetta grandezza o funzione può essere la tensione VWstessa, oppure l'integrale SWdi tale tensione su un intervallo di tempo T nel quale la corrente I nell'avvolgimento W à ̈ nulla:

S<W =>∫T (I = OV<W>dt)

In un primo modo di attuazione l'unità ECU à ̈ predisposta per acquisire gli andamenti temporali della tensione di alimentazione V(t) e della corrente I(t), e per calcolare il valore efficace Ieffdi quest'ultima. L'unità ECU acquisisce quindi il valore di VWmentre I à ̈ nulla, o il valore di SWsu un intervallo di tempo T in cui I à ̈ nulla, tale valore di VWo di SWessendo rappresentativo della forza controelettromotrice E indotta nell'avvolgimento W.

L'unità ECU à ̈ così in grado di ricostruire l'andamento temporale E(t) di tale forza controelettromotrice e, (note le caratteristiche costruttive del motore, quali il flusso dei magneti rotorici e il numero di spire dell'avvolgimento W) di calcolarne il valore efficace Eeff, e di determinarne lo sfasamento relativo φ rispetto alla corrente I(t).

Noti Ieff, Eeffe φ, l'unità ECU può allora calcolare il carico (coppia meccanica PM) agente sul motore, secondo l'espressione

PM=Ieff* Eeff*cos Ï•

L'unità ECU à ̈ così in grado di conoscere il carico istantaneo applicato al motore M, sull'intera gamma di valori che esso può assumere, dalla condizione di rotore bloccato alla condizione di funzionamento a vuoto.

In un altro modo di attuazione l'unità ECU non à ̈ predisposta per acquisire l'andamento temporale I(t) della corrente I, bensì per rilevare le condizioni in cui il valore assoluto |I| di tale corrente à ̈ inferiore ad un valore minimo prefissato prossimo a zero. Quando si verifica una tale condizione, l'unità ECU provoca lo spegnimento o interdizione del commutatore elettrico TR, forzando la corrente I a zero, e quindi acquisisce VWoppure SW, ottenendo così un'indicazione del valore della forza controelettromotrice E. In questo caso l'unità ECU può, come prima, ricostruire l'andamento temporale E(t) della forza controelettromotrice e la relazione di fase fra questa e la corrente I nell'avvolgimento. Tali informazioni, unitamente all'andamento V(t) della tensione di alimentazione, non consentono di determinare quantitativament5e lo stato di carico del motore M, ma permettono di determinarlo qualitativamente, discriminando la condizione di rotore bloccato, una condizione di carico "basso" e una condizione di carico "elevato".

Nelle figure 2 e 3 sono mostrati due diagrammi vettoriali che rappresentano le relazioni di fase fra i vettori che rappresentano la tensione di alimentazione V applicata all'avvolgimento di statore W, la forza elettromotrice indotta E e la corrente I fluente in tale avvolgimento W.

La figura 2 presenta qualitativamente la relazione di fase esistente fra i vettori V, E e I in una condizione di carico piuttosto elevato: in una tale condizione fra il vettore della forza elettromotrice E e il vettore della corrente I vi à ̈ uno sfasamento ridotto.

Il diagramma della figura 3 à ̈ relativo invece ad una condizione di carico relativamente più basso: in tale condizione lo sfasamento fra il vettore E ed il vettore I à ̈ maggiore.

In generale, più à ̈ modesto il carico meccanico del motore M, più il vettore I à ̈ in ritardo rispetto al vettore E.

Con riferimento ai grafici della figura 4, in cui, in funzione del tempo t riportato in ascissa, sono riportati gli andamenti delle ampiezze della tensione di alimentazione V, della forza elettromotrice E e della corrente I, si può osservare che quando la corrente I à ̈ nulla (condizione in cui il commutatore TR à ̈ aperto), il valore assoluto della forza elettromotrice E presenta un valore piuttosto elevato.

L'andamento della corrente I nell'avvolgimento W, illustrato nel grafico inferiore della figura 4, à ̈ ad esempio ottenibile in un motore elettrico sincrono pilotato a mezzo di un sistema di controllo del tipo descritto nella domanda di brevetto internazionale PCT/IB2006/052528, che si intende qui incorporata per riferimento. Il sistema di controllo che forma oggetto di detta domanda di brevetto internazionale à ̈ tale per cui la corrente I nell'av volgimento di statore del motore sincrono presenta sostanzialmente semionde si segno opposto, separate da intervalli in cui la corrente permane a zero.

In un motore provvisto di un siffatto sistema di controllo, il rilevamento della forza controelettromotrice E indotta sull'avvolgimento W à ̈ convenientemente effettuato in intervalli di tempo in cui la corrente I permane a livello nullo. Convenientemente tali intervalli sono sotto-intervalli ricompresi all'interno degli intervalli per cui la corrente I à ̈ a 0, e ciò per consentire sostanzialmente l'esaurimento dei transitori elettromagnetici in tale avvolgimento.

In una variante di attuazione il motore M à ̈ pilotato a mezzo di un commutatore costituito da un triac, e le condizioni di corrente I nulla nell'avvolgimento W vengono individuate rilevando brusche variazioni della tensione VWai capi dell'avvolgimento W. In tal caso non occorre che l'unità ECU comandi lo spegnimento del commutatore in quanto un triac si interdice di per sé quando la corrente I si annulla. In una tale condizione la tensione VWsull'avvolgimento W varia bruscamente passando dal valore della tensione V di alimentazione ad un valore sensibilmente diverso che corrisponde alla forza controelettromotrice E indotta.

Secondo un ulteriore aspetto dell'invenzione, quando il valore acquisito di VW(o di SW) risulta inferiore ad un valore di riferimento minimo predeterminato VMIN(SMIN), l'unità ECU à ̈ predisposta per generare un primo segnale di allarme, indicativo di una condizione di sovraccarico meccanico del motore M, quale può verificarsi in una condizione in cui il rotore R à ̈ bloccato.

Convenientemente, l'unità ECU può essere inoltre predisposta per generare un secondo segnale di allarme quando il valore di VW(o di SW) risulta superiore ad un valore di riferimento massimo predeterminato VMAX(SMAX), tale situazione essendo indicativa di una condizione di carico meccanico minimo sul motore M. Tale segnale di allarme può essere utile, quando il motore viene utilizzato per l'azionamento di una pompa idraulica, per consentire il riconoscimento di una condizione di assenza o drastica riduzione di portata del fluido idraulico pompato, per cui la pompa opera in condizione di cavitazione.

Vantaggiosamente, il suddetto valore di riferimento massimo SMAXà ̈ variabile secondo una funzione predeterminata, in particolare monotona decrescente, e più specificamente lineare, della tensione V di alimentazione del motore M.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione e i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto à ̈ stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione come definito nelle annesse rivendicazioni.

In particolare, l'invenzione non à ̈ limitata all'applicazione ai motori elettrici sincroni monofase, ma può essere convenientemente applicata anche ai motori sincroni di tipo polifase.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per il monitoraggio a regime del carico di un motore elettrico sincrono in corrente alternata (M) comprendente un rotore a magneti permanenti (R) ed uno statore (S) provvisto di almeno un avvolgimento (W) nel quale nel funzionamento a regime fluisce una corrente alternata (I) sfasata in ritardo rispetto alla tensione di alimentazione (V); il procedimento comprendendo le operazioni di: - rilevare una grandezza (VW; SW) correlata alla tensione (VW) ai capi di detto almeno un avvolgimento di statore (W) mentre l'intensità (I) della corrente fluente in detto almeno un avvolgimento (W) à ̈ nulla, detta grandezza (VW; SW) essendo in tale condizione rappresentativa della forza controelettromotrice (E) indotta in detto almeno un avvolgimento di statore (W); e - valutare il carico del motore (M) secondo un criterio predeterminato in funzione del valore rilevato di detta grandezza (VW; SW).
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui detta grandezza à ̈ il valore istantaneo della tensione (VW) ai capi di detto almeno un avvolgimento di statore (W).
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui detta grandezza à ̈ l'integrale della tensione (VW) ai capi di detto almeno un avvolgimento di statore (W) in un intervallo di tempo in cui la corrente (I) fluente in detto almeno un avvolgimento (W) à ̈ nulla.
4. 4. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il motore (M) à ̈ pilotato a mezzo di un commutatore elettronico controllato (TR), e condizioni di corrente (I) nulla in detto almeno un avvolgimento (W) vengono provocate causando le interdizioni o aperture di detto commutatore elettronico (TR) per un tempo prestabilito quando il valore assoluto dell'intensità di detta corrente (I) à ̈ inferiore ad un valore minimo prefissato.
5. 5. Procedimento secondo la rivendicazione 4, in cui viene rilevato l'andamento temporale della tensione di alimentazione (V) e della suddetta corrente (I), e sulla base del valore rilevato di detta grandezza (VW; SW) si ricostruisce l'andamento temporale della forza controelettromotrice (E) indotta in detto almeno un avvolgimento (W), e si calcola quindi il valore istantaneo del carico del motore (M).
6. 6. Procedimento secondo una delle rivendicazioni 1-3, in cui il motore (M) Ã ̈ pilotato a mezzo di un triac (TR), e una condizione di corrente (I) nulla in detto almeno un avvolgimento (W) viene individuata rilevando una brusca variazione della tensione (VW) ai capi di detto almeno un avvolgimento (W).
7. 7. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui quando il valore assoluto di detta grandezza (VW; SW) risulta inferiore ad un valore di riferimento minimo predeterminato (VMIN; SMIN) viene generato un primo segnale di allarme indicativo di una potenziale condizione di rotore bloccato.
8. 8. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui quando il valore assoluto di detta grandezza (VW; SW) risulta superiore ad un valore di riferimento massimo predeterminato (VMAX; SMAX) viene generato un secondo segnale di allarme indicativo di una condizione di carico minimo del motore (M).
9. 9. Procedimento secondo la rivendicazione 8, in cui detto valore di riferimento massimo (VMAX; SMAX) Ã ̈ variabile secondo una funzione predeterminata della tensione di alimentazione (V) applicata al motore (M).
10. 10. Procedimento secondo la rivendicazione 9, in cui detto valore di riferimento massimo (VMAX; SMAX) Ã ̈ variabile secondo una funzione monotona decrescente della tensione di alimentazione (V) applicata al motore (M).
11. 11. Procedimento secondo la rivendicazione 10, in cui detto valore di riferimento massimo (VMAX; SMAX) Ã ̈ variabile secondo una funzione lineare della tensione di alimentazione (V) applicata al motore (M).