BRPI0811797A2 - sistema para controla a rotação em estado estável de um motor elétrico de tipo síncrono - Google Patents

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Abstract

sistema para controlar a rotação em estado estável de um motor elétrico do tipo síncrono o sistema de controle compreende um comutador (tr) em série com um enrolamento do estator (w) entre dois terminais (a, b) conectado a uma fonte de voltagem de alimentação alternada (v), um primeiro circuito detector (2) com capacidade de fornecer um sinal (voi) que indica quando a corrente (i) nesse enrolamento (w) é igual à zero, um segundo circuito detector (1) com capacidade de fornecer um sinal (vw) que indica a magnitude da voltagem de alimentação (v), e uma unidade de controle (mc) conectada ao primeiro e ao segundo circuitos de detecção (2; 1) e projetado para controlar o comutador (tr) de uma maneira tal que uma corrente alternada (i) da mesma freqüência que a voltagem de alimentação (v) e que tem fases positiva e negativa alternadas (11, 12) passe através do enrolamento (w), separadas por intervalos durante os quais ela permanece em zero, de uma duração (tp) que varia de acordo com uma função crescente da magnitude da voltagem de alimentação (v).

Description

SISTEMA PARA CONTROLAR A ROTAÇÃO EM ESTADO ESTÁVEL
DE UM MOTOR ELÉTRICO DO TIPO SÍNCRONO
A presente invenção refere-se a um sistema para controlar a rotação em estado estável do rotor de um motor elétrico do tipo síncrono do tipo definido no preâmbulo da reivindicação 1.
O documento de patente FR-A-2 729 256 apresenta um sistema deste tipo para um motor síncrono equipado com um detector de posição do rotor. A corrente de enrolamento do estator é controlada como uma função da posição detectada do rotor e dos cruzamentos zero detectados da dita corrente, de modo a manter em zero a diferença de fase entre a contra-FEM e o primeiro harmônico da dita corrente.
Um objetivo da presente invenção consiste na apresentação de tal sistema de controle que seja simples e econômico de manufaturar, e que seja confiável na operação.
Este e outros objetivos serão atingidos de acordo com a invenção através de um sistema de controle cujas características principais são definidas na reivindicação 1.
Outras vantagens e características da presente invenção tornar-se-ão evidentes a partir da seguinte descrição detalhada que é fornecida com referência aos desenhos anexo que são fornecidos puramente a título de exemplo não-limitador, e nos quais:
a Figura 1 é um diagrama elétrico, em parte na forma de bloco, de um sistema de controle para um motor elétrico síncrono de acordo com a presente invenção, a Figura 2 é uma ilustração parcial do sistema de controle do motor, em que um circuito equivalente para o enrolamento do estator é mostrado, e a Figura 3 é um diagrama que mostra exemplos das mudanças nos parâmetros e sinais elétricos no sistema na Figura 1 sob a condição da rotação sob condições em estado
2/9 estável, ou seja, girando à velocidade de sincronização.
M na Figura 1 indica como um todo um motor elétrico síncrono, por exemplo, um motor para a bomba de uma máquina de lavar louça.
O motor M compreende um rotor R com imas permanentes e um estator S que inclui um enrolamento W.
Em sua construção, o motor M pode ser do tipo ilustrado e descrito, por exemplo, no pedido de patente EP europeu 0 207 430 Al ou na patente européia EP 0 851 570 BI.
Um sistema de controle, indicado como um todo por
CS, é associado com o motor M.
sistema de controle CS compreende um comutador eletrônico que, no exemplo ilustrado, é um TRIAC TR conectado em série ao enrolamento W do motor M entre dois terminais A e 15 B destinado a ser conectado a uma fonte de voltagem de alimentação alternada V tal como a rede de distribuição de eletricidade de 50 (60) Hz normal.
O TRIAC TR tem a sua porta G conectada a uma saída de um microcontrolador MC.
O sistema de controle CS também compreende um primeiro circuito detector indicado por 1. Este circuito é um detector de voltagem e tem a sua entrada conectada às extremidades do enrolamento do estator W e a sua saída conectada ao microcontrolador MC.
Tal como ficará mais claramente aparente abaixo, sob condições de operação particulares a voltagem nas extremidades do enrolamento W do estator do motor M é representada pela magnitude da força contra-eletromotriz (contra-FEM) desenvolvida neste enrolamento, ao passo que sob outras condições esta voltagem corresponde à voltagem de alimentação V.
O sistema de controle CS também compreende um segundo circuito detector 2 com a sua entrada conectada entre
3/9 o enrolamento W do estator e o TRIAC TR e a sua saída conectada ao microcontrolador MC. Este detector pode fornecer • um sinal Voi que indica quando a corrente I que flui no enrolamento W do estator sob condições de operação é igual à v zero.
Os circuitos detectores 1 e 2 podem, caso apropriado, ser integrados em parte ou completamente no microcontrolador MC.
Na Figura 1, PS indica uma fonte de voltagem de corrente contínua conectada entre os terminais de alimentação A e B para fornecer uma voltagem de alimentação de operação contínua VCC. A alimentação da voltagem cria internamente uma referência de aterramento GND para o sistema de controle CS.
microcontrolador MC é projetado para controlar o
TRIAC TR de uma maneira tal que, quando o motor M está sob condições de operação, o TRIAC TR conduz somente quando o sinal ou a direção da corrente I que flui no enrolamento W e o sinal ou a polaridade da contra-FEM desenvolvida nesse enrolamento W é tal que satisfaz uma relação predeterminada.
Particularmente, supondo que essa corrente I é positiva quando flui na direção indicada pelas setas nas Figuras 1 e 2, e supondo que o sinal da contra-FEM E é positivo quando a sua polaridade positiva ocorre no terminal de alimentação A, o controle provido pelo microcontrolador MC é tal que o TRIAC TR passa a ser condutor, de modo que o sinal da corrente I fica consistente com o sinal da contraFEM E ou que, ao mesmo tempo:
I>0 e E>0, ou KO e E<0 (1)
Na Figura 2, o enrolamento W é mostrado como seu circuito equivalente (circuito Thevenin equivalente). Nesta representação, Rw e Lw representam à resistência e a indutância do enrolamento W, E representa a contra-FEM desenvolvida nesse enrolamento, e Rp representa a resistência
4/9 devida às perdas no circuito magnético associado com o enrolamento W do estator.
Com referência à Figura 2, se a voltagem nas extremidades do enrolamento W do estator (que é aplicada à entrada do circuito detector 1 na Figura 1) for indicada por Vw e se VTR indica a voltagem nos terminais do TRIAC TR (considerado como positivo quando a sua polaridade positiva ocorre no terminal A), segue-se que:
Vw — V - Vtr — Rwl + Lwdl/dt + E (2)
Da equação (2) acima, segue-se que quando o TRIAC TR não está conduzindo e, portanto, a corrente I no motor M é igual à zero (I = 0), então:
Vw = E = V - VTR (3) ou a voltagem Vw obtida pelo microcontrolador MC através do circuito detector sob tais condições representa a magnitude da contra-FEM E. Quando, por outro lado, o TRIAC TR está conduzindo, a voltagem Vw corresponde essencialmente à voltagem de alimentação V.
sistema de controle CA pode, portanto, ser projetado pana obter, por exemplo, a força eletromotriz E, a seguinte maneira: o circuito detector 3 sinaliza ao microcontrolador MC que a condição em que a corrente I é igual à zero é satisfeita, e nesta situação o microcontrolador MC pode interpretar o sinal fornecido pelo circuito detector 1 como uma representação da contra-FEM E.
Outros meios para obter/determinar a força eletromotriz podem, no entanto, ser empregados sem utilizar o circuito detector 2.
Conforme descrito acima, a contra-FEM E pode ser obtida durante os intervalos de tempo quando a corrente I é igual à zero. Conforme será mais claramente aparente abaixo, esses intervalos de tempo podem ser facilmente encontrados ao observar a voltagem Vtr nos terminais do TRIAC TR. Realmente,
5/9 se em termos absolutos VTR for maior do que, por exemplo 1 V, então o TRIAC TR desliga e a equação (3) mostrada acima se aplica, em caso contrário, se VTR for menor do que 1 V, então 1*0.
Na realidade a contra-FEM E em princípio também pode ser determinada quando 1*0, mas neste caso pode ser obtida, por exemplo, ao solucionar a equação diferencial:
Lwdl / dt = Vw - E - RWI (4) o que é mais complicado.
Deve ser observado que, quando a corrente I no motor M fica igual à zero, o TRIAC TR desliga automaticamente e a voltagem em seus terminais VTR muda quase instantaneamente de um valor de aproximadamente +1 V a um valor que, de acordo com a equação (3), é igual a V-E.
A operação do sistema de controle CS de acordo com a invenção será descrita agora com referência particular aos gráficos na Figura 3.
Supõe-se inicialmente que o rotor R do motor M tenha sido colocado em rotação na direção desejada, em uma das várias maneiras que são conhecidas per se, e o estágio transitório durante o qual a velocidade angular desse rotor muda de um valor igual à zero ao valor de sincronização que corresponde à frequência da voltagem de alimentação V chegou ao final.
Sob condições de operação em estado estável, o microcontrolador MC controla o TRIAC TR de uma maneira tal que faz com que uma corrente alternada I da mesma frequência que a voltagem de alimentação V passe através do enrolamento W do estator. Conforme será visto no segundo gráfico no alto da Figura 3, a corrente alternada I que passam W através do enrolamento W tem as partes II e 12 que são alternadamente positiva e negativa, separadas por intervalos nos quais
6/9 permanece em zero por um tempo tp.
A corrente I é, portanto, subdividida em fases. Isto tem o efeito de reduzir o valor eficaz da corrente I, permitindo a reposição de fases entre a contra-FEM E e a corrente, com uma redução conseqüente nas perdas no cobre e em um aumento correspondente na eficiência.
O sistema de controle de acordo com a invenção provê para que a duração tp dos intervalos durante os quais a corrente I permanece em zero varie de acordo com uma função
crescente da magnitude da voltagem de alimentação V medida ou
calculada
0 microcontrolador MC utiliza uma leitura da
voltagem V da rede de distribuição, obtida através do
circuito detector 1, e consequentemente controla o tempo
quando o TRIAC TR é acionado outra vez com respeito ao
instante em que a meia-onda de corrente precedente fica igual à zero.
Para um motor elétrico M que tem características conhecidas, e conhecendo a faixa permissível da voltagem de alimentação e da carga aplicada ao eixo do motor, é possível definir um valor mínimo da voltagem além do qual a duração tp do intervalo durante o qual a corrente I permanece em zero aumenta linearmente com relação à magnitude da voltagem de alimentação, e determina, portanto, a inclinação da relação funcional que correlaciona estes parâmetros.
Tendo definido a carga nominal M do motor, a relação funcional que liga a voltagem de alimentação V e o tempo tp é tal como que maximiza a eficiência do motor elétrico M e torna o mesmo independente do valor da voltagem de alimentação V. Esse controle, portanto, assegura que o sistema também seja estável às mudanças na voltagem de alimentação V e na carga mecânica. Para valores da carga com exceção do valor nominal (para o qual a eficiência é
7/9 otimizada) o motor M, entretanto, tem uma eficiência elevada constante e mantém o consumo de potência constante independentemente de mudanças na voltagem de alimentação. Isto é possível por causa da capacidade intrínseca do sistema de se adaptar às mudanças na carga ao variar a relação de fases entre a voltagem de alimentação V e o primeiro harmônico da corrente em fase I.
Uma característica importante do sistema de controle de acordo com a invenção reside no fato que o retardamento tp no acionamento do TRIAC TR não é relacionado a uma mudança para zero na voltagem de alimentação V, mas ao instante quando a meia-onda precedente da corrente I se transforma em nada, desse modo tornando possível ajustar automaticamente às mudanças na voltagem de alimentação e carga ao variar o retardamento entre a voltagem de alimentação V e o primeiro harmônico da corrente em fase I.
Se o retardamento tp no acionamento do TRIAC TR é relacionado ao cruzamento zero da voltagem de alimentação V, tal como ocorre em muitos sistemas utilizados, por exemplo, para controlar a luminosidade de lâmpadas incandescentes, ou na troca de fases dos motores PSC, e tinha um intervalo que dependia da voltagem de alimentação, então quando ocorreram mudanças na carga mecânica o sistema não deveria mais estar em uma posição para se adaptar automaticamente porque o fator de potência para o sistema (definido como o co-seno do ângulo de retardamento entre o cruzamento zero da voltagem V e o cruzamento zero do primeiro harmônico da corrente I, indicado por tg na Figura 3) não pode mudar; realmente, um aumento na carga mecânica deve resultar em um aumento na magnitude da corrente em fase I mas nenhuma mudança, ou uma mudança insignificante, na duração tp do intervalo durante o qual esta última permanece em zero.
Com o sistema de controle de acordo com a presente
8/9 invenção, esta limitação é diminuída e o sistema pode se adaptar automaticamente até mesmo a mudanças ascendentes ou descendentes na carga, assegurando eficiências elevadas que diferem muito pouco da eficiência máxima do desenho que é 5 obtida sob condição de cargas normais.
De acordo com uma opção adicional, o microcontrolador MC pode ser projetado para obter a magnitude da contra-FEM E desenvolvida no enrolamento W do estator e modificar então a duração tp dos intervalos durante os quais 10 a corrente I permanece em zero, o que também pode ser de acordo com uma função predeterminada para a magnitude da contra-FEM. Esse método de implementar o controle torna possível assegurar que o torque desenvolvido seja sempre positivo e nunca negativo, reduzindo o ruído operacional.
Além disto, a obtenção da magnitude da contra-FEM E durante os intervalos durante os quais a corrente permanece em zero permite que o microcontrolador MC detecte se o rotor R continuou realmente a girar.
De acordo com uma outra opção ainda, o tempo tp 20 pode ser convenientemente regulado de uma maneira tal que não varie dentro do âmbito de um único período da voltagem de alimentação V, independentemente da magnitude dessa voltagem e/ou da contra-FEM E (ou seja, de modo que o intervalo para o qual a corrente I permanece em zero depois que a meia-onda de 25 corrente positiva II passa a ser igual ao tempo para o qual a corrente permanece em zero após a meia-onda de corrente negativa 12) ; isto torna possível evitar um desequilíbrio indesejado na forma de onda da corrente I.
Uma opção adicional destinada a eliminar os 30 desequilíbrios indesejados na forma de onda da corrente I consiste em manter o tempo entre dois acionamentos sucessivos do TRIAC TC (em relação ao mesmo período da voltagem de alimentação V) menor ou no máximo igual à metade do período
3/3 da voltagem de alimentação V (por exemplo, para as aplicações a 50 Hz este meio-período corresponde a 10 ms).
Naturalmente, o princípio da invenção permanece o mesmo, as formas de realizações e detalhes da construção 5 podem ser variadas amplamente com respeito àquelas descritas e ilustradas, as quais foram fornecidas puramente a título de exemplo, sem desse modo se desviar do âmbito da invenção, tal como definido nas reivindicações anexas.

Claims (3)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. SISTEMA PARA CONTROLAR A ROTAÇÃO EM ESTADO ESTÁVEL DE UM MOTOR ELÉTRICO DO TIPO SÍNCRONO, caracterizado pelo fato de compreender:
    5 um comutador eletrônico conectado operativamente em série a um enrolamento do estator do motor, entre um primeiro e um segundo terminais destinados a serem conectado a uma fonte de alimentação de voltagem alternada, um primeiro dispositivo detector com capacidade de 10 fornecer um sinal que indica quando a corrente nesse enrolamento é igual à zero, e um dispositivo de controle conectado ao primeiro dispositivo detector e projetado para controlar o comutador eletrônico de uma maneira tal que faz com que uma corrente 15 alternada passe através do enrolamento do estator, e a dita corrente tem a mesma freqüência que a voltagem de alimentação e tem partes que são alternadamente positiva e negativa, separadas por períodos durante os quais ela permanece em zero;
    20 em que o sistema é caracterizado pelo fato de que:
    o segundo dispositivo detector tem capacidade de fornecer ao dispositivo de controle um sinal que indica a magnitude da voltagem de alimentação, e em que o dispositivo de controle é projetado para fazer com que a dita duração 25 varie de acordo com uma função crescente da magnitude da voltagem de alimentação detectada.
  2. 2. SISTEMA DE CONTROLE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender um dispositivo detector com capacidade de fornecer um sinal que
    30 indica a magnitude da contra-FEM desenvolvida no dito enrolamento, e em que o dispositivo de controle é projetado para:
    - alterar a duração dos intervalos durante os quais
    2/2 a corrente no enrolamento do estator permanece em zero, o que também pode ser de acordo com uma função predeterminada para a magnitude da dita contra-FEM, e
    - verificar a perda de sincronicidade no motor.
  3. 5 3. SISTEMA DE CONTROLE, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de controle é projetado para modificar a duração dos intervalos durante os quais a corrente no enrolamento permanece em zero de maneira tal que o dito intervalo não 10 varia dentro de um único período da voltagem de alimentação independentemente da magnitude dessa voltagem e/ou da contraFEM.
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