BRPI1102952A2

BRPI1102952A2 - dispositivo elÉtrico, e , mÉtodo para medir a forÇa eletromotriz de um dispositivo elÉtrico

Info

Publication number: BRPI1102952A2
Application number: BRPI1102952-8A
Authority: BR
Inventors: Boris Bouchez; Sousa Luis De
Original assignee: Valeo Sys Controle Moteur Sas
Priority date: 2010-06-25
Filing date: 2011-06-24
Publication date: 2012-12-25
Also published as: EP2400659A1; US8618758B2; FR2961975B1; KR20120000544A; EP2400659B1; CN102437756A; KR101982880B1; CN102437756B; CA2744634A1; US20110316464A1; FR2961975A1; JP2012050318A

Abstract

DISPOSITIVO ELÉTRICO, E, MÉTODO PARA MEDIR A FORÇA ELETROMOTRIZ DE UM DISPOSITIVO ELÉTRICO. A invenção refere-se a um dispositivo elétrico (1) que compreende um motor elétrico de corrente alternada (3) e um inversor de controle (5) para controlar a fase, ou as fases, do motor (3). O motor (3) compreende, sobre pelo menos um enrolamento de pelo menos uma fase (PA, PB, PC), um ponto (Ma, Mb, Mc) para medir uma voltagem em relação a um potencial pre definido (M), o ponto de medição (Ma, Mb, Mc) escolhido de moda a dividir o enrolamento em uma primeira (Zal; Zbl; Zc1) e uma segunda (Za2; Zb2; Zc2) porções de modo que as forças eletromotrizes induzidas (e~ al~, e~ a2~) nas duas porções sejam deslocadas em fase uma em relação à outra (11A; 11B; 11C) para medir a voltagem entre o ponto de medição e o potencial predefinido. A invenção também se refere a um método associado para medir forças eletromotrizes.

Description

"DISPOSITIVO ELÉTRICO, Ε, MÉTODO PARA MEDIR A FORÇA ELETROMOTRIZ DE UM DISPOSITIVO ELÉTRICO"

A presente invenção refere-se a um dispositivo elétrico que compreende um motor elétrico de corrente alternada e um inversor de controle e a um método associado para medir a força eletromotriz deste dispositivo, e se aplica ao campo dos motores elétricos de corrente alternada.

A invenção será particularmente aplicável no campo de veículos a motor elétrico, notavelmente para inversores de tração e seu motor elétrico associado ou mesmo para inversores de compressor de condicionador de ar e seu motor elétrico associado.

Entretanto, embora pretendido particularmente para esta aplicação, o dispositivo e o método associado podem ser usados em outros campos, tais como, por exemplo, direção hidráulica ou para motores elétricos de ventilador.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Convencionalmente, um veículo elétrico é equipado com baterias de alta voltagem despachando uma corrente contínua para um inversor que transforma esta corrente contínua em uma corrente alternada para energizar um motor elétrico, o último acionando a movimentação do veículo.

Para controlar o motor e, em particular, controlar os comutadores do inversor, é necessário conhecer a posição angular do motor de modo a energizar cada fase do mesmo, no momento certo, para se obter um torque de acionamento ótimo.

Isto é feito geralmente por meio de sensores de posição, por exemplo, sensores/codificadores de efeito Hall posicionados sobre o eixo de rotação do motor elétrico como, por exemplo, descrito no documento US 6.307.336.

Entretanto, parece que estes detectores de posição são um ponto fraco no sistema e fazem com que o veículo pare se o sensor falhar. Além disso, estes sensores são caros.

No documento EP 1.564.882, são propostos enrolamentos auxiliares para medir diretamente a força eletromotriz de cada fase do motor.

Entretanto, esta solução leva a modificações complexas do

motor elétrico.

Além disso, assim como para o sensor de posição, não se sabe se, por exemplo, a ausência do sinal de medição se origina de uma falha desta configuração auxiliar ou de uma falha do próprio motor.

O documento US 7.489.097 descreve um sistema elétrico que compreende um motor da corrente alternada e um inversor do controle para medir diretamente a força eletromotriz das fases do motor. Para isso, o inversor tem que controlar o motor de maneira particular de modo que a fase para a qual a EMF deve ser medida não seja energizada durante a medição.

Acontece que o controle trapezoidal das fases torna possível ter duas fases energizadas e uma não energizada. Neste caso, a corrente é zero durante um período suficientemente longo para medir a EMF e detectar sua interseção em zero.

Entretanto, esta maneira não é apropriada para, por exemplo, controles de motor senoidal.

OBJETIVO DA INVENÇÃO

O objetivo da presente invenção é propor um dispositivo e um método que tornem possível acessar diretamente a força eletromotriz das fases do motor e sem nenhum sensor de posição.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Para esta finalidade, o assunto da invenção é um dispositivo elétrico que compreende um motor elétrico de corrente alternada e um inversor de controle para controlar a fase, ou as fases, do motor, caracterizado pelo fato do motor compreender, pelo menos um enrolamento de pelo menos uma fase, um ponto para medir uma voltagem em relação a um potencial predefinido, o ponto de medição escolhido de modo a dividir o enrolamento em uma primeira e uma segunda porção de modo que as forças eletromotrizes induzidas nas duas porções sejam deslocadas em fase uma em relação à outra, e meios para medir a voltagem entre o ponto de medição e o potencial predefinido.

Pela escolha de um ponto de medição diretamente no nível dos enrolamentos das fases e, de modo a dividir o enrolamento em uma primeira e uma segunda porção de modo que as forças eletromotrizes induzidas nas duas porções sejam deslocadas em fase uma em relação à outra, a forma dos controles de motor tornam-se irrelevantes.

De acordo com um aspecto, os meios para medir a voltagem entre o ponto de medição e o potencial predefinido são configurados para medir a voltagem enquanto o inversor tiver comutado as fases relativas para o modo de roda livre.

De acordo com outro aspecto, os enrolamentos do motor são enrolamentos com ponto central e o ponto de medição é o ponto central do enrolamento.

Além disso, pode ser feita provisão para que as forças eletromotrizes induzidas em cada uma das duas porções de um enrolamento sejam, substancialmente, de igual amplitude.

Então, o inversor pode ser configurado para comutar sincronizadamente todas as fases para o modo de roda livre para permitir medição simultânea das voltagens para cada fase do motor.

De acordo com um aspecto, o inversor é um inversor trifásico

padrão.

De acordo com um desenvolvimento, o inversor é um inversor trifásico de ponte de configuração H.

O motor elétrico de corrente alternada é, por exemplo, um motor elétrico polifásico cujo passo mecânico corresponda a uma fração do ângulo mecânico.

O motor elétrico de corrente alternada pode ser um motor elétrico trifásico de corrente alternada.

O dispositivo pode compreender uma unidade de controle do motor ligada aos mencionados meios de medição e configurada para deduzir, do resultado da medição para cada fase, a força eletromotriz para cada uma das fases do motor, e para controlar o inversor de acordo com as forças eletromotrizes medidas.

A unidade de controle, por exemplo, é configurada para deduzir a posição angular do motor das interseções em zero das forças eletromotrizes de cada fase.

Outro assunto da invenção objetiva um método para medir a força eletromotriz de um dispositivo elétrico que compreende um motor elétrico de corrente alternada e um inversor de controle para controlar a fase, ou fases, do motor, caracterizado pelo fato de:

- uma voltagem ser medida entre o ponto de medição de um enrolamento de pelo menos uma fase e o potencial predefinido, o ponto de medição escolhido de modo a dividir o enrolamento em uma primeira e uma segunda porção de modo que as forças eletromotrizes induzidas nas duas porções sejam deslocadas em fase uma em relação à outra.

De acordo com um aspecto, é medida uma voltagem entre o ponto de medição de um enrolamento de pelo menos uma fase e um potencial predefinido enquanto o inversor tiver comutado as fases relativas para o modo de roda livre.

E possível, por exemplo, prover as forças eletromotrizes induzidas em cada um das duas porções de um enrolamento para serem de amplitude substancialmente igual.

r

E possível comutar todas as fases sincronizadamente, por exemplo, por uma modulação por largura de pulso, para o modo de roda livre, para permitir a medição simultânea das voltagens para cada fase do motor.

O inversor é, por exemplo, um inversor trifásico padrão ou um inversor trifásico de ponte de configuração H.

O motor elétrico de corrente alternada é, por exemplo, um motor elétrico polifásico cujo passo mecânico corresponda a uma fração do ângulo elétrico.

O motor elétrico de corrente alternada pode ser um motor elétrico trifásico.

De acordo com um aspecto, a força eletromotriz para cada uma das fases do motor é deduzida das medições de voltagem para cada uma das fases e o inversor é controlado de acordo com as forças eletromotrizes medidas.

De acordo com outro aspecto, a posição angular do motor é deduzida das interseções em zero das forças eletromotrizes de cada fase.

Um diagnóstico pode ser deduzido da medição das forças eletromotrizes de cada fase do motor e um sinal de advertência pode ser gerado em caso de falha de uma das fases.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A presente invenção será mais bem compreendida da leitura de um modo de realização exemplificativo detalhado com referência aos desenhos anexos, apresentados a título de exemplos não limitativos, nos quais:

- a Figura 1 representa esquematicamente um primeiro modo de realização exemplificativo do dispositivo,

- a Figura 2 representa esquematicamente um detalhe do dispositivo da Figura 1,

- a Figura 3 mostra um gráfico de controle de PWM para um dispositivo de acordo com a Figura 1,

- a Figura 4 é uma representação gráfica vetorial das medições da força eletromotriz de um motor trifásico,

- a Figura 5 representa esquematicamente um segundo modo de realização exemplificativo do dispositivo,

- a Figura 6 representa esquematicamente o circuito da Figura 5, no qual o inversor está ligado para permitir que as voltagens do ponto

central sejam medidas,

- a Figura 7 é um diagrama simplificado de um passo fracionário de um motor elétrico de corrente alternada,

- a Figura 8 mostra um primeiro exemplo da fiação do motor

da Figura 7,

- a Figura 9 mostra um segundo exemplo da fiação do motor

da Figura 7,

- a Figura 10 mostra, em um gráfico, um exemplo representativo das medições da força eletromotriz em função da velocidade de um veículo automotivo equipado com o dispositivo de acordo com a

invenção.

- a Figura 11 mostra, em um gráfico, a tendência no tempo das forças eletromotrizes das fases de um motor trifásico para a detecção das interseções em zero, e

- a Figura 12 mostra o retardo entre duas interseções em zero

das EMFs medidas em função da velocidade.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Em todas as figuras, a elementos idênticos são dados os mesmos números de referência.

A Figura 1 mostra um dispositivo 1, de acordo com a invenção, que compreende, por um lado, um motor elétrico de corrente alternada 3 e, por outro, um inversor de controle 5 para controlar a fase, ou fases PA, PB e PC do motor 3.

A expressão "motor elétrico" deve ser entendida para significar uma máquina elétrica que transforma uma energia elétrica em um movimento mecânico quando energizada com corrente e que pode igualmente transformar um movimento mecânico em energia elétrica (gerador de corrente).

No presente exemplo, um motor elétrico 3 é um motor trifásico, sem ponto neutro, cujas três fases PA, PB e PC, cada uma, é produzida por enrolamentos com pontos centrais Ma, Mb, e Mc. Deve ser entendido, por conseguinte, que o motor, nesta Figura 1, está representado apenas parcialmente por seus enrolamentos servindo como indutâncias.

O inversor de controle 5, para controlar as fases do motor é, neste exemplo, um inversor trifásico de ponte de configuração H.

Neste modo de realização, o inversor compreende três pontes de configuração H, Ha, Hb e Hc.

Cada ponte de configuração H compreende quatro comutadores SiJ (1=1,2; j= A, A', B, B', C, C'), o índice i= 1, representativo da porção basal da ponte, igualmente chamada de pé da ponte, e o índice i=2, a porção de topo da ponte. O índice j, com ou sem aspas, é representativo da fase à qual o comutador pertence.

Os comutadores Si, j (i=l,2; j= A, A', B, B', C, C') são comutadores de energia, por exemplo, do tipo IGBT (transistor bipolar de porta isolada) que corresponde a um transistor híbrido, combinando um transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET) na entrada e um transistor bipolar na saída.

O termo "estrutura de ponte de configuração H ou "ponte de configuração H" corresponde a um circuito elétrico ou eletrônico conhecido de per si.

Em relação, por exemplo, à ponte de configuração H, Ha, ela compreende quatro elementos de comutação SIA, S2A, SlA' e S2A' arranjados, de modo geral, esquematicamente, na forma de um H, como representado na Figura 1, os dois ramos verticais formados, respectivamente, pelos elementos de comutação SIA, S2A sobre um lado e SlA1 S2A' sobre o outro lado e arranjados sobre qualquer lado do ramo horizontal do H, que corresponda à carga da ponte, ou seja, ao enrolamento da fase PA de um motor elétrico 1.

Cada comutador SiJ é ligado a uma unidade de controle 9 que aplica controles de PWM (modulação por largura de pulso) para tornar possível a execução de várias funções, como, por exemplo, a rotação do motor em uma ou outra direção para impulsionar um veículo automotivo.

O circuito é conectado a uma fonte de voltagem CC, E. No contexto de uma aplicação deste circuito a um veículo automotivo, trata-se, por exemplo, de meios de acumulação, como uma bateria de energia.

O motor 3 compreende, sobre pelo menos um enrolamento de pelo menos uma fase, um ponto para medir uma voltagem em relação a um potencial predefinido, o ponto de medição escolhido de modo a dividir o enrolamento em uma primeira e uma segunda porções, de modo que as forças eletromotrizes induzidas nas duas porções sejam deslocadas em fase uma em relação à outra.

No presente exemplo, estes pontos de medição são feitos, vantajosamente, iguais aos pontos centrais Ma, Mb e Mc dos enrolamentos das fases PA, PB e PC.

O dispositivo, de acordo com a invenção, também compreende meios 11 A, IlBellC para medir a voltagem entre os pontos de medição Ma, Mb e Mc e um potencial predefinido, por exemplo o aterramento M do circuito, enquanto o inversor, por exemplo, tiver comutado as fases relativas PA, PB, PC para o modo de roda livre.

A comutação das fases PA, PB e PC para o modo de roda livre é opcional, mas oferece a vantagem de eliminar o deslocamento.

Para maior detalhe, deve ser feita referência à Figura 2 que representa, como um exemplo, a ponte Ha em detalhe, cujos elementos comutadores estão representados, esquematicamente, por interruptores.

Como pode ser visto, os comutadores do pé da ponte, ou seja, os comutadores SlA e SlA1 estão fechados, ou seja, a fase A foi comutada pelo inversor 5 para o modo de roda livre.

A primeira porção do enrolamento é designada por sua

impedância Zal e a segunda porção por sua impedância Za2.

Neste caso, as seguintes equações podem ser consideradas:

enrolamento de uma fase e o aterramento do circuito,

- efli é a força eletromotriz parcial induzida na primeira porção de impedância Za 1,

- Qa2 é a força eletromotriz parcial induzida na segunda porção de impedância Za2,

- ia é a corrente induzida quando a ponte de configuração H é

comutada para o modo de roda livre, como mostrado na Figura 2.

Se assumirmos, por simplicidade, que Zal = Za2 = Z (deve-se notar que Zal pode ser diferente de Za2), obteremos:

Como descrito acima, o ponto de medição foi escolhido de modo que as forças eletromotrizes parciais eai e ea2 sejam deslocadas em

na qual

- Vqm é a voltagem medida entre o ponto central de um

íV =-e -7*i fase uma em relação à outra. Isto pode ser obtido de maneiras diferentes, em particular, usando-se um motor elétrico de corrente alternada polifásico cujo passo mecânico corresponda a uma fração do ângulo elétrico (para esta explanação, este tipo de motor é chamado de motor elétrico de passo fracionário) como será explicado mais detalhadamente adiante.

Para simplificar o cálculo, é assumido que a ea) e a Ca2 de cada metade de bobina de uma fase são iguais em amplitude (mesma indução, mesmo número de espiras), mas mutuamente deslocadas em fase.

Isto permanece válido mesmo se a eai e a Qa2 contiverem harmônicos cujos deslocamentos em fase são os mesmos para todos os harmônicos que devam ser medidos.

A eai e a Qa2 podem, então, ser desenvolvidas como a seguir:

=YEkSen(wkt)

A=O

OO

^o2 =YlEksen(wJ-fPk)

A=O

na qual Ek é a amplitude do harmônico k (k sendo um número natural) e wk é a freqüência de pulso ou angular do harmônico.

Calculando-se, consequentemente, a voltagem do ponto central como o ponto de medição quando os dois comutadores SlA e SlA', do pé da ponte, estão fechados, a fase PA estando, por conseguinte, no estado de "roda livre", obteremos:

P -P ^f F , s F Λ

J^ j, / \ Í-*;

A=O

^ =^Vsl = Z ^fsen(wkt)-^sen(wkt-cpk)

°° í E E N

=EhMl" cos^* )sin6v)+^-rsen(çk)cos{wkt)

A=O V

OO

= Y(AkEkSenW^k))

A=O

com Ak V2 -2cospt

sen<pk

fk = arctan-z^ii-

I-COS^

Dado que a força eletromotriz total de uma fase pode ser escrita como a seguir:

QO

FEM = eo2 + Cal = Yj (Etsen (wkt) + Eksen (wkt - φk))

k = 0 OO

= Σ Ce*0+ cos <Pk)sen (wkt)-Eksen (<pk)c°s Ov))

k = 0

= X A'k (Ek COS (wtt-0t'))

Ar = O

com

Ak'= y]2 + 2cos<pk

, , sen<pk

<f>k = arctan-

1 + cos^

O resultado disso é que a medição de V0M provê uma medição direta e fiel das forças eletromotrizes (EMF) de cada fase do motor 3 da corrente alternada se a EMF não contiver nenhum harmônico.

Por conseguinte, é obtida uma imagem da EMF, mas na qual cada componente de harmônico é atenuado por um fator

A'

Ak/Ak' e deslocada em fase por um ângulo φ - φ, com

Ak' 2"\|l + cos <pk

Sencpk sencpk

Yk-Vk- arctan-+ arctan-zj^-

l-cos^ 1 + cos<pk

Como um exemplo, uma máquina com 5 pares de polos e 12 dentes, chamada por aqueles experientes na técnica de uma bobina 12-10 (ver por exemplo a Figura 10) torna possível obter uma deslocamento em fase de π/6 entre as duas metades de bobina

Os fatores e fases de atenuação a seguir são, desse modo, obtidos:

A _ jl-cosíP Â yl + cosç?

, ,, ^ sencp senç

φ - φ= arctan----arctan-z—

1-cosç? l + cosçz>

O fator de atenuação e o deslocamento de fase são parâmetros fixos e conhecidos que dependem apenas da construção do motor 3. A EMF pode, consequentemente, ser medida facilmente e para cada uma das fases do motor, e sem exigir sensores adicionais ou estimativas ou cálculos complexos.

Este cálculo pode, desse modo, ser feito sem dificuldades, de maneira similar, com impedâncias com valores desigual e/ou EMFs com amplitudes desiguais desde que as relações das EMFs, ou das impedâncias, sejam conhecidas.

A força eletromotriz do motor 3 é acessada, por conseguinte,

sem retardo, sem perturbações e sem que qualquer filtragem específica seja necessária.

Em virtude deste arranjo, por conseguinte, é implementado um método para medir a força eletromotriz no qual uma voltagem é medida entre o ponto de medição de um enrolamento de pelo menos uma fase e um potencial predefinido enquanto o inversor tiver comutado as fases relativas para o modo de roda livre, o ponto de medição escolhido de modo a dividir o enrolamento em uma primeira e uma segunda porções de modo que as forças eletromotrizes induzidas nas duas porções sejam deslocadas em fase uma em relação à outra.

A força eletromotriz para cada uma das fases do motor é, então, deduzida das medições da voltagem para cada uma das fases e o inversor pode ser controlado de acordo com as forças eletromotrizes medidas.

De acordo com um modo de realização exemplificativo, o inversor 5 é configurado para comutar sincronizadamente todas as fases para o modo de roda livre para permitir a medição simultânea das voltagens para cada fase do motor.

Isto é mostrado, a título de exemplo, na Figura 3 que mostra controles de PWM (modulação por largura de pulso) centralizados.

Nesta figura, a PWM SlA representa o controle de PWM para o comutador SIA, a PWM SlA' representa o controle de PWM para o comutador SlA', a PWM SlB representa o controle de PWM para o comutador SlB, a PWM SlB' representa o controle de PWM para o comutador SlB', a PWM SlC representa o controle de PWM para o comutador SlC e a PWM SlC' representa o controle de PWM para o comutador SlC'.

A Figura 4 mostra um diagrama que explica a ligação entre as EMFs de cada fase e as medições de voltagem no ponto central dos enrolamentos de cada fase do motor. Dever ser entendido que é uma relação vetorial (o que explica a existência do deslocamento em fase e do ganho).

A presente invenção também pode ser aplicada, de maneira similar, ao exemplo precedente, a um inversor padrão 5 e a um motor trifásico 3 com ponto neutro, e compreendendo enrolamentos com ponto central, como representado na Figura 5.

O inversor 5, neste exemplo, compreende três ramos A, B e C com, respectivamente, dois elementos de comutação por ramo, respectivamente Sla, S2a, Slb, S2b e Slc, S2c.

O motor 3 compreende, sobre pelo menos um enrolamento de pelo menos uma fase, um ponto para medir uma voltagem relativa a um potencial predefinido, o ponto de medição escolhido de modo a dividir o enrolamento em uma primeira e uma segunda porções (neste caso Zal e Za2 para a fase A, Zbl e Zb2 para a fase B e Zcl e Zc2 para a fase C) de modo que as forças eletromotrizes induzidas nas duas porções de um enrolamento de uma fase sejam deslocadas em fase uma em relação à outra.

No presente exemplo, estes pontos de medição são, vantajosamente, feitos para serem iguais aos pontos centrais Ma, Mb e Mc dos enrolamentos das fases PA, PB e PC.

Meios, 11A, IlB e 11C, são providos e ligados à unidade de controle 9 para medir a voltagem entre os pontos de medição Ma, Mb e Mc e um potencial predefinido, por exemplo o aterramento M do circuito, enquanto o inversor tiver comutado as fases relativas A, B, C para o modo de roda livre.

Para maior detalhe, deve ser feita referência à Figura 6 que representa o mesmo circuito que a Figura 5, na qual os elementos de comutação, S la, S2a, Slb, S2b e Slc, S2c estão representados esquematicamente por comutadores.

Como pode ser visto, os comutadores no pé de cada ramo, ou seja, os comutadores S2a, S2b e S2c estão fechados, ou seja, as fases A, B e C foram comutadas pelo inversor 5 para o modo de roda livre. Além disso, quando os comutadores S2A S2B S2C estão fechados, a voltagem do ponto neutro é O, de modo que um diagrama equivalente ao da Figura 2, se aplica.

Por conseguinte, é possível determinar, de maneira similar ao exemplo das Figuras 1 a 4, a força eletromotriz EMF de cada fase, individualmente ou todas juntas, sincronizadamente.

Como explicado previamente, a aplicação da presente invenção envolve escolher um ponto de medição de maneira que o enrolamento de uma fase seja dividido em uma primeira e uma segunda porções, de modo que as forças eletromotrizes induzidas nas duas porções sejam deslocadas em fase uma em relação à outra.

Isto pode ser obtido, por exemplo, em virtude do uso de um motor elétrico de passo fracionário (motor polifásico de passo fracionário), ou seja, uma máquina cujo passo mecânico corresponda a uma fração do ângulo elétrico.

Uma máquina de passo fracionário tem a característica particular de ter enrolamentos pertencentes à mesma fase, mas deslocados em fase eletricamente.

A Figura 7 dá o exemplo de uma máquina elétrica (motor) chamada normalmente de 12 - 10, ou doze entalhes com seus enrolamentos +UA, - UA, +VA, - VA, +WA, -WB, +UB, -UB, +VB, -VB, +WB, -WB, e polos (5 pares de polos PI, P2, P3, P4, P5).

Os pares de polos são deslocados por um passo de 2π/5, enquanto os enrolamentos são deslocados por 2π/12.

De acordo com a nomenclatura usada, um enrolamento designado pelas mesmas letras mas tendo um sinal invertido é enrolado na direção oposta. Assim, +UA é enrolado na direção oposta de - UA.

Neste motor, as três fases são designadas por U, V e W, cada fase tendo quatro enrolamentos cuja primeira letra designa a fase a qual ele pertence, ou seja, a fase U tem os enrolamentos +UA, - UA, +UB e - UB.

Dependendo das características desejadas do motor, é possível contemplar duas maneiras de enrolamento para implementar a presente invenção para medir diretamente a força eletromotriz de cada fase.

De acordo com uma primeira maneira representada na Figura 8, os quatro enrolamentos de uma e mesma fase são arranjados em série e o ponto de medição (Mu, Mv e Mw) para medir a voltagem que corresponde à força eletromotriz de uma fase é o ponto central entre, por um lado, dois enrolamentos adjacentes em série de uma e mesma fase, por exemplo +UA e - UA e, por outro lado, os dois outros enrolamentos adjacentes em série da mesma fase, arranjados faceando os primeiros enrolamentos, ou seja +UB e - UB.

Desse modo, como um exemplo, pode-se ver, por conseguinte, que o ponto de medição MU para a fase U é escolhido de modo que o enrolamento desta mesma fase (o enrolamento da fase U é formado pelos enrolamentos +UA, - UA, +UB, - UB) seja dividido em uma primeira porção formada por +UA e - UA, e uma segunda porção formada por +UB e por - UB, de modo que as forças eletromotrizes induzidas nestas duas porções sejam deslocadas em fase.

De acordo com uma segunda maneira representada na Figura 9, os enrolamentos de ida e vinda (por exemplo UA e - UA) de uma e mesma fase são arranjados em paralelo e o ponto de medição (Mu, Mv ou Mw) para medir a voltagem que corresponde à força eletromotriz de uma fase é o ponto central entre, por um lado, dois enrolamentos paralelos adjacentes de uma e mesma fase, por exemplo, +Ua e - UA e, por outro lado, os outros dois enrolamentos paralelos adjacentes da mesma fase, arranjados faceando os primeiros enrolamentos, ou seja +UB e - UB.

A Figura 10 mostra, a título de exemplo para um veículo elétrico, em função da velocidade, a amplitude das medições de voltagem Vom pela linha contínua ao longo da curva 50 e a força eletromotriz deduzida, ao longo da curva 52, em linhas quebradas.

Como mostrado nas Figuras 1 e 5, a unidade 9, para controlar o motor, é ligada aos mencionados meios de medição 11A, IlB e 11C, e configurada para deduzir, do resultado da medição para cada fase, a força eletromotriz para cada uma das fases do motor e para controlar o inversor de acordo com as forças eletromotrizes medidas.

Então, o termo controle "sem sensor" se aplica, uma vez que não há um sensor de posição que mede diretamente a quantidade de posição física.

Além disso, para a simplicidade de controlar a máquina que resulta do uso da medição direta da EMF, é possível contemplar o controle de posição sem sensor.

Naturalmente, quando parada, a posição não é conhecida, mas tudo que é necessário é excitar o estator com corrente suficiente para iniciar a movimentação do rotor e, se a EMF gerada for suficientemente grande, em seguida, a unidade de controle 9 também pode deduzir a posição em virtude da medição da EMF. A unidade 9 pode, então, calcular corretamente as voltagens a serem aplicadas a cada fase pelos controles de PWM para se obter, por um lado, o torque e a direção de rotação do motor necessários.

Esta fase inicial é curta e pode ser imperceptível para o

condutor.

Se considerarmos o exemplo de uma relação de engrenagem de 10 e de rodas com 70cm de diâmetro, a máquina, a 40km/h, gira a SOOOrpm"1. A lkm/h, a máquina gira a 1,25 rpm"1, o que corresponde a (0,125 revoluções de roda em ls). Na realidade, tudo que seria necessário, seria uma revolução elétrica para identificar facilmente o ângulo do rotor. No exemplo da máquina 12-10 descrito acima, tudo que seria necessário, então, seria 1/5 de uma revolução ou 200ms (0,025 de revolução de roda). Este deslocamento seria imperceptível para o condutor por corresponder a um deslocamento de 5,5cm.

A EMF medida seria 6,8V (ver figura 10). Se a resolução da medição for suficiente, o computador poderia calcular para encontrar a posição.

Além disso, a unidade de controle 9 é configurada para deduzir a posição angular do motor das interseções em zero das forças eletromotrizes de cada fase.

Na prática, a detecção das interseções em zero é uma operação simples de executar através de um circuito eletrônico ou por software.

Com referência à Figura 11, para um motor trifásico, são contadas duas interseções em zero por período e por fase. Dada o deslocamento em fase entre fases, é contado um total de seis interseções em zero por fase. Na interseção em zero da medição da EMF, a informação referente à posição angular do motor 3 está diretamente disponível e sem cálculo. Por conseguinte, são obtidas seis aquisições de posição para cada período elétrico, o que é mais do que suficiente em muitas aplicações nas quais a posição angular do rotor não precisa ser conhecida com precisão a cada momento.

A Figura 12 mostra o retardo entre duas interseções em zero das EMFs medidas, em função da velocidade de um veículo automotivo elétrico, para uma aplicação relacionada a uma máquina com 12 entalhes e 5 pares de polos com uma engrenagem de 10 e rodas com 70cm de diâmetro.

De acordo com ainda outro aspecto, a unidade de controle 9 é configurada para deduzir um diagnóstico da medições das forças eletromotrizes de cada fase do motor.

Na prática, estas medições provêem uma maneira não intrusiva de detectar uma falha, por exemplo, de uma fase do motor, e de gerar um sinal de advertência.

Mesmo com uma fase falhando, ainda é possível mover o veículo e o usuário chegar a um posto de manutenção e os controles de PWM serem adaptados para substituir a fase que falhou.

Por conseguinte, em virtude da invenção, deve ser entendido que é possível medir, fácil e diretamente a força eletromotriz de cada fase de um motor. Já não há a necessidade de um sensor específico. Desse maneira, os circuitos de controle do motor são simplificados e mais baratos.

Obviamente, a presente invenção se aplica a qualquer motor elétrico de corrente alternada, independentemente do número de fases.

Igualmente deve-se recordar que a expressão "motor elétrico" deve ser entendida para significar uma máquina elétrica no sentido amplo, ou seja, um motor de propulsão, se a máquina for energizada eletricamente ou um gerador de corrente, se o inversor for comutado para o modo de carga para recuperar a energia elétrica produzida pelo motor.

Claims

1. Dispositivo elétrico (1), compreendendo um motor elétrico de corrente alternada (3) e um inversor de controle (5) para controlar a fase, ou as fases, do motor (3), caracterizado pelo fato do motor (3) compreender sobre pelo menos um enrolamento de pelo menos uma fase (PA, PB, PC), um ponto (Ma, Mb, Mc) para medir uma voltagem em relação a um potencial predefinido (Μ), o ponto de medição (Ma, Mb, Mc) escolhido de modo a dividir o enrolamento em uma primeira (Zal;Zbl; Zcl) e uma segunda (Za2; Zb2; Zc2) porções, de modo que as forças eletromotrizes (eai, e^) induzidas nas duas porções sejam deslocadas em fase uma em relação à outra, e meios (11 A; 11B; 11C) para medir a voltagem entre o ponto de medição e o potencial predefinido.

2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato dos meios (11A;11B; 11C) para medir a voltagem entre o ponto de medição e o potencial predefinido sejam configurados para medir a voltagem enquanto o inversor (5) tiver comutado as fases relativas para o modo de roda livre.

3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato dos enrolamentos do motor (3) serem enrolamentos com ponto central (Ma, Mb, Mc) e pelo fato do ponto de medição ser o ponto central do enrolamento.

4. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato das forças eletromotrizes induzidas em cada uma das duas porções de um enrolamento serem de amplitudes substancialmente iguais.

5. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato do inversor (5) ser configurado para comutar sincronizadamente todas as fases para o modo de roda livre para permitir a medição simultânea das voltagens para cada fase do motor (3).

6. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações1 a 5, caracterizado pelo fato do inversor (5) ser um inversor trifásico padrão.

7. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações1 a 5, caracterizado pelo fato do inversor ser um inversor trifásico (5) de ponte de configuração H.

8. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações1 a 7, caracterizado pelo fato do motor elétrico de corrente alternada (3) ser um motor elétrico polifásico cujo passo mecânico corresponda a uma fração do ângulo mecânico.

9. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações1 a 8, caracterizado pelo fato do motor elétrico de corrente alternada (3) ser um motor elétrico trifásico de corrente alternada.

10. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato dele compreender uma unidade de controle de motor (9) ligada aos mencionados meios de medição (11A, 11B, 11C) e configurada para deduzir, do resultado da medição para cada fase, a força eletromotriz para cada uma das fases do motor e para controlar o inversor (5) de acordo com as forças eletromotrizes medidas.

11. Dispositivo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato da unidade de controle (9) ser configurada para deduzir a posição angular do motor (3) das interseções em zero das forças eletromotrizes de cada fase.

12. Método para medir a força eletromotriz de um dispositivo elétrico (1), compreendendo um motor elétrico de corrente alternada (3) e um inversor de controle (5) para controlar a fase, ou as fases, do motor, caracterizado pelo fato de: - uma voltagem ser medida entre o ponto de medição (Ma, Mb, Mc) de um enrolamento de pelo menos uma fase (PA, PB, PC) e um potencial predefinido (Μ), o ponto de medição escolhido, de modo a dividir o enrolamento em uma primeira (Zal; Zbl; Zcl) e uma segunda (Za2;. Zb2; Zc2) porções, de modo que as forças eletromotrizes induzidas nas duas porções sejam deslocadas em fase uma em relação à outra.

13. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de uma voltagem ser medida entre o ponto de medição (Ma, Mb, Mc) de um enrolamento de pelo menos uma fase (PA, PB, PC) e um potencial predefinido (M) enquanto o inversor tiver comutado as fases relativas para o modo de roda livre.

14. Método de acordo com a reivindicação 12 ou 13, caracterizado pelo fato dos enrolamentos do motor (3) serem enrolamentos com ponto central (Ma, Mb, Mc) e pelo fato do ponto de medição ser o ponto central do enrolamento.

15. Método de acordo com qualquer das reivindicações 12 a 14, caracterizado pelo fato das forças eletromotrizes induzidas em cada uma das duas porções de um enrolamento serem de amplitudes substancialmente iguais.

16. Método de acordo com qualquer das reivindicações 12 a 15, caracterizado pelo fato de todas as fases serem comutadas sincronizadamente, por exemplo, por uma modulação por largura de pulso, para o modo de roda livre, para permitir a medição simultânea das voltagens para cada fase do motor (3).

17. Método de acordo com qualquer das reivindicações 12 a 15, caracterizado pelo fato do inversor (5) ser um inversor trifásico padrão.

18. Método de acordo com qualquer das reivindicações 12 a 15, caracterizado pelo fato do inversor (5) ser um inversor trifásico de ponte de configuração H.

19. Método de acordo com qualquer das reivindicações 12 a 18, caracterizado pelo fato do motor elétrico de corrente alternada (3) ser um motor elétrico polifásico cujo passo mecânico corresponda a uma fração do

20. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 19, caracterizado pelo fato do motor elétrico de corrente alternada (3) ser um motor elétrico trifásico.

21. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 20, caracterizado pelo fato da força eletromotriz para cada uma das fases do motor ser deduzida das medições de voltagem para cada uma das fases (PA, PB, PC) e o inversor ser controlado de acordo com as forças eletromotrizes medidas.

22. Método de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato da posição angular do motor ser deduzida das interseções em zero das forças eletromotrizes de cada fase (PA, PB, PC).

23. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 22, caracterizado pelo fato de um diagnóstico ser deduzido da medição das forças eletromotrizes de cada fase do motor e pelo fato de um sinal de advertência ser gerado em caso de falha de uma das fases.