CH677851A5

CH677851A5 -

Info

Publication number: CH677851A5
Application number: CH469/90A
Authority: CH
Inventors: Giuseppe Torchio
Original assignee: Giuseppe Torchio
Priority date: 1990-02-14
Filing date: 1990-02-14
Publication date: 1991-06-28
Also published as: EP0442848A3; DE69115949D1; EP0442848B1; EP0442848A2; ATE132672T1

Description

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Descrizione

La presente invenzione si riferisce a un motore ad induzione polifase con rotore in corto circuito a corrente alternata a frequenza costante funzionante a velocità variabile controllata.

Mediante diodi regolati da dispositivi elettronici che ricevono gli imput di velocità e coppia desiderati, il motore ad induzione con rotore in corto circuito a frequenza costante può essere asservito alle condizioni di velocità variabile competitivamente con quelli a corrente continua.

Gli azionamenti con motori a corrente alternata hanno subito uno sviluppo straordinario con l'introduzione dei motori asincroni.

I vantaggi di questo motore sono noti e dovuti anzitutto alla sua costruzione semplice e robusta, alla sua realizzazione economica e alla già esistente normativa internazionale, sia dimensionale che di potenza.

La coppia motrice nasce al rotore di tutte le macchine a campo rotante pressoché secondo lo stesso principio: mediante un avvolgimento polifase, viene generato un campo magnetico rotante, che, grazie al fenomeno della induzione elettromagnetica, induce corrente negli avvolgimenti a gabbia del rotore. La corrente rotorica produce a sua volta un campo magnetico retorico che reagisce con quello statorico.

Per effetto dell'interazione fra i due campi magnetici, il rotore viene portato in rotazione e tenta di raggiungere la stessa velocità dei campo magnetico statorico.

Da questa breve considerazione risulta quanto segue:

— La generazione del campo magnetico retorico nasce senza contatto diretto, grazie alla induzione magnetica fra statore e rotore.

Parti componenti come collettori e spazzole, quali si trovano nelle macchine a corrente continua, nei motori a induzione sono completamente assenti;

- poiché il rotore tenta di ruotare alla stessa velocità del campo magnetico statorico inducente, fa velocità del motore a induzione è, in generale, predeterminata dai dati costruttivi. Si nota quindi come la velocità di rotazione dei motori a induzione non possa essere sostanzialmente modificata.

Per questo motivo l'impiego del motore asincrono, semplice e robusto, cade in difetto se il costruttore di macchine richiede al suo azionamento un numero di giri variabile entro ampi limiti.

Per quanto già negli anni trenta si siano fatti tentativi per alimentare i motori asicroni con corrente alternata a frequenza variabile, il classico motore a corrente contìnua ha prevalso, in tutto il modo, per azionamenti di questo tipo, nei casi in cui era richiesta una elevata dinamica dì messa a punto e regolazione.

Gli sviluppi raggiunti nell'ultimo decennio nel campo della tecnica del raddrizzatori, la realizzazione di diodi controllati di potenza elevata come pure di circuiti integrati dì tipo analogico e digitale, hanno portato a rivedere i concetti degli azionamenti a corrente alternata sotto una luce completamente nuova. Oggi è possibile realizzare azionamenti a corrente alternata a velocità variabile per potenze non troppo elevate se la frequenza di alimentazione rimane invariata e senza alcuna limitazione di potenza se la frequenza di alimentazione risulta variabile. Per dare all'utente un'idea migliore, si può riconoscere come sotto descritto che gli azionamenti a corrente alternata si possono suddividere ir tre gruppi principali:

aï Sistemi a frequenza statorica fissa

Attraverso un'adatta disposizione della sezione elettronica, la tensione statorica, mono o trifase, viene regolata in modo che it motore possa sviluppare, a velocità nominale, il momento richiesto.

bì Sistemi a frequenza statorica variabile

La frequenza fissa di rete viene trasformata, mediante un convertitore di frequenza, in una tensione alternata mono o trifase che alimenta gli avvolgimenti statorici del motore,

ci Sistemi speciali

In questo gruppo si possono citare i circuiti ipo-sìncroni raddrizzatori in cascata o simili, per i quali i motori devono essere muniti di anelli di scorrimento.

Come già detto, con alimentazione alla frequenza di rete, il campo magnetico rotante ruota sempre alla stessa velocità costante. Per uno statore a due poli risulta una velocità sincrona di 3000 giri/min; per uno statore a quattro poli 1500 giri/min e cosi via.

Se il rotore girasse alla medesima velocità sincrona, non potrebbe fornire, per motivi di bilancio energetico, alcun momento torcente.

Per questo motivo il rotore di un motore asincrono dovrà ruotare ad una velocità di qualche percento inferiore a quella del campo magnetico rotante.

La differenza fra la velocità sincrona del campo statorico e quella del rotore viene indicata in generale come scorrimento s.

Nei motori asincroni attuali a bassa resistenza rotorica si produce, a basso scorrimento, un momento torcente elevato. Il carico del motore non può essere aumentato a piacere perchè a coppia torcente sempre più elevata corrisponde un aumento dello scorrimento e la velocità del motore si avvicina alla velocità critica. Se si oltrepassa questa velocità si ha una rapida caduta della coppia motrice e, a parità di carico, il motore si arresta.

Il motore asincrono quindi, in prossimità della velocità di sincronismo, presenta il comportamento migliore; a velocità ridotta invece la caratteristica coppia-velocità presenta un andamento tutfaltro che ideale.

Negli ultimi tempi sono apparsi sul mercato motori asincroni di costruzione speciale, nei quali l'avvolgimento rotorico ha resistenza elevata, oppure è realizzato in più sezioni componenti.

Mediante questi accorgimenti, si è potuta raggiungere a bassi giri una coppia più elevata, a spese però della coppia massima in prossimità della velocità sincrona.

Gli azionamenti che utilizzano motori ad induzione

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trifasi con rotore in corto circuito sono senza dubbio quelli più impiegati. La semplicità, la solidità costruttiva ed il costo relativamente modesto di questo tipo di motore ne hanno favorito l'impiego anche se la sua utilizzazione in azionamenti a velocità variabile risulta quasi sempre poco agevole.

Quando la variazione e la regolazione della velocità sono indispensabili, il meno affidabile e più costoso motore a corrente continua ha quasi sempre preso il sopravvento. Gli attuali sviluppi e la riduzione dei costi nel campo della tecnica elettronica hanno favorito questo indirizzo anche se in alcuni casi particolari, ed utilizzando appunto moderne tecniche elettroniche, il motore ad induzione con rotore in corto circuito può essere asservito alle necessità della velocità variabile in condizioni di buona competitività rispetto a quello a corrente continua.

Lo scoglio più importante da superare in azionamenti a velocità variabile utilizzanti motori ad induzione è dovuto al fatto che nel funzionamento a velocità ridotta la potenza dissipata à rotore è proporzionale allo scorrimento. Questo fatto, mentre rende assai difficile lo smaltimiento del calore prodotto a rotore, conseguentemente, riduce il rendimento del motore stesso.

La presente invenzione ha lo scopo di ovviare alle difficoltà accennate presentando un motore veramente competitivo e cioè un motore ad induzione polifase con rotore in corto circuito.

Più precisamente la presente invenzione si riferisce a un motore (MAT) ad induzione polifase con rotore in corto circuito alimentato a corrente alternata a frequenza costante funzionante a velocità variabile controllata, caratterizzato dal comprendere un regolatore di accelerazione/decelerazione (RAD), regolatori di velocità (RV, RV1, RV2) diodi controllati (Ri, Si, Ti) comandati da modulatori (Mi, M2), detti regolatori di velocità, determinando sulla base del segnale fornito da una dinamo tachimetrica (DT) e controllato dai regolatore di accelerazione/decelerazione (RAD) il valore di parzializzazione d'onda di detti diodi controllati per ottenere la coppia voluta alla velocità stabilita.

Una forma particolare di esecuzione della presente invenzione comprende:

li motore è dotato di due avvolgimenti statorici uguali, collegati alla rete di alimentazione tramite diodi controllati, disposti in modo da generare due campi rotanti, variabili in ampiezza, aventi senso di rotazione opposto, per evitare l'effetto negativo della corrente rotorica a velocità inferiore a quella di sincronismo,

- Regolatore di accelerazione e decelerazione.

Dispositivo elettronico analogico di controllo della rampa di avviamento o della variazione della velocità del motore.

- Regolatore di velocità.

Si compone di 3 dispositivi elettronici.

Il primo determina, sulla base del segnale fornito dalla dinamo tachimetrica e controllato dal regolatore di accelerazione e decelerazione. L'ampiezza dell'intervento del secondo e del terzo regolatore di velocità.

Il secondo ed il terzo regolatore forniscono II segnale ai due modulatori che definiscono l'ampiezza della parzializzazione d'onda dei d'iodi controllati.

- Diodi controllati.

Terna di diodi controllati per ogni avvolgimento del motore asincrono, comandato dai due modulatori ed atti a fornire la parzializzazione d'onda corrispondente alla tensione di alimentazione di ogni sìngolo avvolgimento.

- Motore asincrono trifase con rotore in corto circuito.

Il motore dispone di 2 avvolgimenti identici alimentati in modo da proddure due campi magnetici rotanti il cui senso di rotazione dovrà risultare contrapposto. In questo modo si evita l'effetto negativo delia corrente rotorica a giri inferiori a quelli corrispondenti alla velocità di sincronismo.

Diamo ora qui seguito una descrizione peraltro non limitativa del trovato dell'invenzione con riferimento alle figure allegate:

- La fig. 1 rappresenta un diagramma dei momenti torcenti quando le tensioni di alimentazione dei due avvolgimenti sono uguali.

- La fig. 2 rappresenta lo schema a blocchi dell'azionamento a velocità variabile oggetto dell'invenzione.

Se, come indicato alla fig. 1, si immaginano le due curve di coppia in funzione dei giri, che verrebbero generate da ogni singolo avvolgimento, rispettivamente A1 e A2, quando alimentato indipendemente e da tensione piena e si ricorda che la risultante RIS delle due curve (rappresentata nella figura in punteggiato) è data dalla differenza, istante per istante, delie due coppie componenti, si potrà constatare che il motore, in quelle condizioni particolari si comporterebbe come un motore ad induzione monofase. Questo significa che, a velocità zero, rotore fermo, nello stesso non verrà generata alcuna corrente e quindi alcuna coppia anche se i due avvolgimenti statorici saranno alimentati a piena tensione.

Nel nostro caso, però, come è già stato descritto, i due avvolgimenti sono alimentati dalla rete attraverso diodi controllati e le tensioni rispettive possono essere variate a piacere. Ricordando che ogni riduzione della tensione di alimentazione degli avvolgimenti produrrà una riduzione della coppia generata senza tuttavia modificare l'andamento delle curve rappresentate nella fig. 1, si può concludere dicendo che variando opportunamente le tensioni di alimentazione sarà possibile ottenere la coppia risultante desiderata a qualunque velocità fra lo zero e quella prossima al sincronismo e che questa coppia sarà generata da una corrente rotorica limitata al mantenimento della coppia stessa.

Definito quanto sopra, vediamo ora il funzionamento effettivo dell'azionamento proposto. Come in-

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dicato nello schema a blocchi rappresentato alla flg. 2 il motore MAT è accoppiato direttamente ad una dinamo tachimètrica DT che fornirà il segnale di ingresso della velocità del motore stesso.

Questo segnale può eventualmente essere modulato onde regolare, se necessario, sia l'accelerazione che la decelerazione del motore attraverso l'opportuno regolatore RAD.

Come è indicato inoltre nello schema della fig. 2, il regolatore di velocità RV risulta sdoppiato RV1, RV2. onde poter comandare separatamente e attraverso due modulatori Ml, M2, i diodi controllati dei due avvolgimenti AV1, AV2.

Se, a velocità zero i due modulatori regoleranno i diodi controllati RR, SS, TT e R1H1, Tilt, SiSt, in modo da fornire ai due avvolgimenti rispettivamente la metà della tensione di rete, nel rotore non verrà generata nessuna corrente ed il motore MAT rimarrà fermo. Se questa condizione di equilibrio verrà modificata attraverso un segnale del regolatore di velocità RV, i due modulatori M1, M2 verranno a loro volta ■sollecitati in senso inverso e nella direzione voluta ad aumentare da un lato ed a diminuire dall'altro la tensione di alimentazione dei due avvolgimenti, in queste condizioni verrà generata a rotore una corrente e quindi una coppia che metterà in moto - sempre nella direzione volutali motore, e l'accelerazione durerà sintantoché il segnale della dinamo tachimetrica non eguglierà quella stabilita dal regolatore di velocità. Ogni successivo tentativo di variazione della velocità prodotto da una diversa richiesta di coppia della macchina comandata verrà compensato e la velocità sarà mantenuta costante.

Qualora la macchina comandata tentasse di trascinare il motore ad una velocità superiore a quella desiderata, il segnale della dìnamo tachimetrica produrrà una variazione dei modulatori tale da creare una coppia frenante con conseguente recupero dell'energia richiesta per la frenatura.

Concludendo sì potrà dire che, fissata una velocità del motore compresa fra Io zero e quella prossima al sincronismo, l'azionamento proposto si comporterà in modo da mantenere costante questo valore reagendo sìa attivamente sia passivamente ad ogni variazione della coppia richiesta dalla macchina comandata.

Considerando quindi la grande flessibilità di funzionamento ed il recupero di energia in fase di frenata si potrà dire che l'azionamento proposto è comparabile sotto tutti gli aspetti sia a quelli alimentati in corrente continua che a quelli alimentati in corrente alternata a frequenza variabile.

Dal punto dì vista del costo basterà notare che nell'azionamento proposto manca la parte piuttosto costosa relativa alla produzione della corrente continua in un caso ed alla variazione della frequenza nell'altro. Si potrà obiettare che il motore utilizzato nell'azionamento proposto-dovendo ospitare nei canali delJo statore due avvolgimenti anziché unodo-vrà essere dimensionato più abbondantemente e che il suo costo sarà superiore a quello di un normale motore asìncrono: tuttavia questo costo non raggiungerà mai quello di un corrispondente motore a corrente contìnua e la semplicità e robustezza di esso potrà difficilmente essere eguagliata.

Claims

Rivendicazioni

1. Motore (MAT) ad induzione polifase con rotore in corto circuito alimentato a corrente alternata a frequenza costante funzionante a velocità variabile controllata, caratterizzato dal comprendere un regolatore di accelerazione/decelerazione (RAD), regolatori di velocità (RV, RV1, RV2) diodi controllati (R[, Si, Ti,) comandati da modulatori (M1, M2), detti regolatori di velocità, determinando, sulla base del segnale fornito da una dinamo tachimetrica (DT) e controllato dal regolatore di accelerazione/decelerazione (RAD), il valore di parzializzazione d'onda dì detti diodi controllati per ottenere la coppia voluta alla velocità stabilita.

2. Motore ad induzione polifase con rotore in corto circuito di cui alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che esso (MAT) è un motore asìncrono polifase avente due avvolgimenti statorici (AV1, AV2) uguali alimentati indipendentemente da diodi controllati (Ri, Si, Ti), in modo da generare campi rotanti, variabili in ampiezza e aventi senso dì rotazione opposto per evitare l'effetto negativo della corrente rotorica a giri al di sotto della velocità di sincronismo.

3. Motore ad induzione polifase di cui alla rivendicazione 1 o 2, in cui i regolatori di velocità in numero di tre, sono dei componenti elettronici, circuiti integrati di tipo analogico o digitale, il primo (RV) determinando sulla base del segnale fornito dalla dinamo tachimetrica (DT) e controllato dal regolatore di accelerazione/decelerazione (RAD) l'ampiezza dell'intervento del secondo (RV1) e del terzo (RV2) regolatore di velocità, detto secondo regolatore (RV1) e detto terzo regolatore (RV2) fornendo il segnale a due modulatori (MI, M2) rispettivamente, per definire l'ampiezza della parzializzazione d'onda dei diodi controllati (RR, SS, IT e Ri Ri, St Si, T-i Ti) per ciascun avvolgimento e fornire la corrispondente tensione di alimentazione di ogni singolo avvolgimento.

4. Utilizzazione del motore ad induzione polifase con rotore in corto circuito a corrente alternata di cui a una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 3 per ottenere velocità variabili, comprese tra Io zero e quella prossima al sincronismo.

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