IT201900011328A1 - Apparato di controllo di un motore a velocità variabile per ventilatori e pompe - Google Patents

Description

Descrizione

Titolo dell’Invenzione :

APPARATO DI CONTROLLO DI UN MOTORE A VELOCITA’

VARIABILE PER VENTILATORI E POMPE

Campo di Applicazione

[0001] La presente invenzione si riferisce ad un apparato di controllo di un motore a velocità variabile per ventilatori e pompe.

[0002] In generale, la presente invenzione si riferisce a: avviamento dei motori mediante motori elettrici con motori associati a generatori di corrente, controllo del circuito generatore durante l'avviamento o l'arresto di mezzi di guida, ad es. per iniziare l'eccitazione.

[0003] In particolare, la presente invenzione si riferisce a: arrangiamenti o metodi per il controllo di motori a corrente alternata caratterizzati dal tipo di tensione di alimentazione che utilizza la tensione di alimentazione a frequenza variabile, ad es. tensione di alimentazione inverter o convertitore.

Stato della Tecnica

[0004] Lo stato dell’arte è rappresentato dal brevetto US 10,050,575 B2 riguardante un sistema comprendente un'unità di controllo di superficie e un'unità di azionamento di un motore sottomarino. L'unità di controllo di superficie comprende un circuito di controllo del motore a velocità variabile configurato per generare almeno un segnale di controllo di un interruttore e un primo circuito di comunicazioni configurato per trasmettere il segnale di controllo dell'interruttore su un mezzo di comunicazione. L'unità di azionamento del motore sottomarino comprende un circuito di pilotaggio configurato per essere accoppiato ad un motore elettrico e comprendente almeno un interruttore a semiconduttore e un secondo circuito di comunicazione accoppiato al primo circuito di comunicazione attraverso il mezzo di comunicazione. Il circuito di controllo del motore è configurato per azionare il circuito di pilotaggio come un invertitore.

[0005] Gli azionamenti del motore sono utilizzati in una serie di diverse applicazioni industriali. Motori a corrente alternata a velocità variabile, come ad esempio azionamenti a frequenza variabile (VFD), vengono utilizzati per compressori, pompe e simili. Un uso comune dei VFD è il controllo dei compressori e dei motori delle pompe nelle operazioni di esplorazione e produzione di petrolio e gas. Un VFD può controllare la velocità e / o la coppia di un motore CA variando la frequenza e l'ampiezza della tensione applicata al motore. Un VFD può essere utilizzato per azionare un motore a una velocità ottimale per un dato carico e / o per fornire un avvio graduale e / o un rallentamento che limita la corrente e protegge meccanicamente i componenti meccanici, quali ingranaggi, tubazioni e simili.

[0006] Un tipico VFD può includere un inverter accoppiato a una fonte di alimentazione CC, che può essere un sistema di distribuzione di energia CC o una corrente continua derivata da un sistema di distribuzione di energia CA che utilizza un raddrizzatore. L'invertitore può includere interruttori a semiconduttore (ad esempio transistori, raddrizzatori controllati al silicio e simili) che sono controllati da un circuito di controllo digitale includente un microcontrollore o altro dispositivo di elaborazione dati. In particolare, il microcontrollore può ricevere segnali di retroazione (ad esempio velocità, tensione, corrente e simili) e può generare segnali di guida che sono usati per controllare transistor di potenza o altri dispositivi di commutazione a semiconduttore che sono usati per azionare il motore.

[0007] L'unità di azionamento del motore sottomarino e l'unità di controllo di superficie possono implementare uno qualsiasi tra diversi tipi di tecnologie di azionamento a frequenza variabile, come invertitore di sorgente di tensione, invertitore di sorgente di corrente, invertitore di fase, cicloconvertitore e slittamento, architetture di recupero. L'unità di controllo di superficie può implementare una qualsiasi di una serie di differenti tecniche di controllo, come controllo V / Hz, controllo vettoriale (ad esempio, modulazione della larghezza di impulso del vettore spaziale).

[0008] In generale, la distribuzione del circuito di azionamento del motore tra l'unità di controllo di superficie e l'unità di azionamento del motore sottomarino può fornire una combinazione desiderata di affidabilità, disponibilità, prestazioni, sicurezza e altre caratteristiche. In generale, è desiderabile mettere circuiteria ad alta corrente, come la circuiteria di commutazione di semiconduttore, in prossimità del carico che viene guidato per ridurre le lunghezze del cablaggio di capacità ad alta corrente e quindi ridurre costi e perdite. Tale circuiteria ad alta corrente può anche essere più tollerante dell'ambiente sottomarino e può presentare un'affidabilità relativamente elevata e richiedere una manutenzione relativamente semplice che può essere eseguita da robot sottomarini o altri dispositivi telecomandati, in modo che l'accesso limitato all'unità sottomarina non sia particolarmente problematico Tuttavia, i circuiti che possono richiedere una manutenzione e un aggiornamento più frequenti e / o complessi e / o che possono essere più vulnerabili ai guasti, come i circuiti di elaborazione dati, possono essere assegnati alla centralina di controllo di superficie per facilitare la manutenzione e la riparazione.

Presentazione dell’invenzione

Problema Tecnico

[0009] L’invenzione del brevetto US 10,050,575 B2 offre lo spunto per risolvere il problema di migliorare il pilotaggio di motoventilatori nelle gallerie sia stradali che metropolitane usando una motorizzazione a inverter per comandare la velocità e la portata del fluido.

[0010] Oggi, la soluzione più utilizzata è il semplice avviatore a tiristori posizionato direttamente sul motore. Però, questa soluzione non permette di regolare la portata del ventilatore funzionando in modalità ON / OFF. Così, si hanno grosse perdite di energia anche quando l’opacità, ossia la misura dell’aria in galleria in considerazione dei fumi presenti, è bassa, l’energia richiesta alla rete essendo quella massima alla massima portata.

[0011] Invece, il comando a variazione di velocità ad inverter permette di controllare l’opacità con velocità / portata regolabile in modo da controllare anche l’energia assorbita. I ventilatori attualmente usano motori ad induzione asincroni. Le soluzioni ad inverter per questi ventilatori si suddividono in due tipologie cosiddette VSI e CSI. La tipologia VSI, Voltage Source Inverter, necessita di filtri LC in uscita per ridurre le variazioni dV/dt al motore per non compromettere la vita del motore. I filtri LC provocano alte cadute di tensione; per questo motivo un inverter VSI deve essere posto nelle vicinanze del ventilatore.

Soluzione al Problema

[0012] L’oggetto della presente invenzione si rivolge a motoventilatori nelle gallerie con la tipologia CSI, Current Source Inverter, adattata al comando della portata dei ventilatori.

[0013] Un inverter CSI permette di comandare i motoventilatori a distanza grazie all’uscita sinusoidale che non necessita di filtraggio LC. Questa possibilità di comando a distanza del ventilatore permette di utilizzare l’inverter CSI fuori galleria con notevole impatto positivo sul service.

[0014] Scopo della presente invenzione è dunque quello di poter prelevare energia dalla linea elettrica con un inverter CSR e di trasferire l’energia tramite un inverter CSI al motoventilatore e, allo stesso modo, prelevare l’energia di frenatura dal motoventilatore tramite l’inverter CSI e di trasferire l’energia tramite il CSR alla rete elettrica.

[0015] Un ulteriore scopo è quello di poter comandare a distanza un motoventilatore o una motopompa, in particolare per applicazioni in galleria, salvaguardando caratteristiche tecniche come: basso livello armonico, eliminazione dell’onda riflessa sui cavi; utilizzo cavi standard senza schermatura; compensazione dell’inverter della caduta di tensione nel cavo, uso di motori standard.

[0016] I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell’invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un apparato di controllo di un motore a velocità variabile per ventilatori e pompe, come quello descritto nella rivendicazione 1. Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano l’oggetto delle rivendicazioni dipendenti. Resta inteso che tutte le rivendicazioni allegate formano parte integrante della presente descrizione. Risulterà immediatamente ovvio che si potranno apportare a quanto descritto innumerevoli varianti e modifiche (per esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalità equivalenti) senza discostarsi dal campo di protezione dell'invenzione come appare dalle rivendicazioni allegate. Descrizione dei disegni

[0017] La presente invenzione verrà meglio descritta da alcune forme preferite di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati.

[Fig.1] mostra uno schema funzionale di una realizzazione dell’ apparato di controllo di un motore a velocità variabile per ventilatori e pompe.

[Fig.2] mostra uno schema funzionale dettagliato dello schema della figura precedente.

[Figs.3, 4, 5, 6] mostrano le viste ortogonali e in assonometria della parte hardware raccolta in un unico dispositivo per la visualizzazione delle grandezze fisiche e per il contenimento delle schede elettroniche di una realizzazione dell’ apparato di controllo di un motore a velocità variabile per ventilatori e pompe. Descrizione di forme di realizzazione

[0018] Facendo riferimento alla [Fig.1], è possibile notare che un apparato di controllo di un motore a velocità variabile M per ventilatori e pompe comprende un primo inverter 11 collegato ad un secondo inverter 21 tramite una induttanza 31, un circuito di controllo 3 configurato per trasmettere e recuperare segnali di controllo di commutazione rispetto ad un circuito di pilotaggio.

[0019] Vantaggiosamente, tale apparato è progettato come un Active Front End AFE costituito da un Current Rectifier Inverter CSR, verso una linea trifase, e da un Current Source Inverter CSI verso il motore elettrico, in modo da funzionare sia in generazione di energia, verso il motore (M), sia in rigenerazione di energia, durante la frenata del motore (M).

[0020] Tale apparato comprende i seguenti elementi.

[0021] Un filtro capacitivo di ingresso 101 atto ad eliminare il rumore generato dalla frequenza di PWM comprende una induttanza esterna per limitare i disturbi verso la liena trifase.

[0022] Il primo inverter 11 può funzionare sia quando viene fornita potenza al motore (M) come Buck-Rectifier Rigenerativo con Power Factor Correction PFC tendente a valore unitario per generare una corrente di DC link intermedia regolata, sia durante le frenature o inversioni di velocità del motore (M) mantenendo costante la corrente di bulk per controllare la tensione e la corrente in continua dell’inverter CSI d’uscita.

[0023] Una induttanza 31 di DC link permette di controllare ripple di corrente e gestione funzione di buck converter.

[0024] Il secondo inverter 21 di controllo CSI riferito al motore AC ad induzione.

[0025] Un filtro capacitivo di uscita 201 permette di eliminare il rumore generato dalla frequenza di PWM e limitare le armoniche di corrente.

[0026] Sia il primo inverter 11, sia il secondo inverter 21 è costituito da tre moduli IGBT / Diodo.

[0027] Il primo inverter 11 ed il secondo inverter 21 è costituito da un convertitore DC-DC riduttore, due interruttori, nella fattispecie un transistor e un diodo, un induttore ed un condensatore.

[0028] L’apparato comprende un frazionatore elettronico con diodo invertito.

[0029] Tale apparato è controllato da una scheda digitale a microprocessore per il controllo sia della funzionalità PFC Buck-Rectifier rigenerativo di ingresso, sia della funzionalità dell’inverter CSI di uscita.

Esempi

[0030] L’apparato oggetto della presente invenzione è stato studiato e progettato per comandare a distanza motoventilatori o motopompe. Il funzionamento del sistema consiste nello svolgimento delle seguente fasi: prelevare energia dalla linea trifase con un Fattore di Potenza PF di valore unitario con un inverter CSR; trasferire l’energia tramite un inverter CSI ad un motoventilatore; prelevare l’energia di frenatura dal motoventilatore alla rete trifase con PF unitario tramite l’inverter CSI; trasferire l’energia tramite il CSR alla rete trifase.

[0031] Facendo riferimento alla FIG.2, il controllo è vettoriale sensorless sia in ingresso che in uscita, sul CSI in uscita misurando le tensioni e le correnti di fase e con calcolo per stimare l’entità come flusso, orientamento / posizione e scorrimento. In questo modo è possibile comandare a distanza un motoventilatore senza sensori di posizione e di velocità.

[0032] La creazione del PWM di comando degli interruttori IGBT dei singoli bracci viene fatta con la tecnica dello Space Vector.

[0033] Vengono elencate le caratteristiche principali.

[0034] Basso livello armonico: eliminazione del filtro armonico all’ingresso e del filtro in uscita, dv/dt o sinusoidale.

[0035] Tecnologia rigenerativa: recupero in rete dell’energia di frenatura o inversione rapida dei motoventilatori.

[0036] Lunghe distanze tra motore e drive: eliminazione dell’onda riflessa sui cavi;

utilizzo cavi standard senza schermatura; compensazione dell’inverter della caduta di tensione nel cavo.

[0037] Utilizzo motore standard: eliminazione dv/dt al motore; eliminazione dell’obbligo di montare cuscinetti isolati; non è richiesta una tensione d’isolamento maggiorata degli avvolgimenti; riduzione ad un basso valore della corrente e della tensione di Modo Comune; eliminazione delle tensioni indotte sulla carcassa del motore; eliminazione della corrente inter avvolgimento nel caso di collegamento in triangolo.

[0038] Utilizzo tensioni di rete 400Vac e 690Vac: per la tensione di rete di 690Vac, stessi vantaggi che per il 400Vac.

[0039] L’applicazione dell’inverter per il controllo di un motore è molto conveniente per le ragioni seguenti e deve corrispondere alle seguenti caratteristiche: avviamento progressivo, programmabile; stress meccanico praticamente eliminato; possibilità di salto di frequenza di risonanza; risparmio energetico, per esempio, se la potenza assorbita di un ventilatore a velocità fissa è pari a 100% , lo stesso ventilatore, ad una velocità dell’ 80% ha un consumo pari alla potenza al cubo di 80%, vale a dire 51,2% , praticamente la metà; adattamento della velocità in funzione della richiesta del sistema; controllo permanente della corrente motore; rilevamento rotore bloccato; eliminazione della corrente di spunto, vale a dire, corrispondenza tra coppia nominale e corrente nominale; controllo della coppia all’avviamento del motore; armoniche di tensione lato rete, TDH ≤ 3,5%; armoniche di corrente lato rete, TDH ≤ 3,5%; conforme alla normativa IEEE519-92; armoniche di tensione lato motore, TDH ≤ 3,5%; armoniche di corrente lato motore, TDH ≤ 3,5%; assenza di onda riflessa; tensione di modo comune ≤ 30V; assenza di correnti circolanti nei cuscinetti e di correnti disperse verso terra; dV/dt al motore ≤ 0,16V/μsec; Power Factor, PF ≥ 98%; distanza Motore - Drive: 3.000 metri; cavi schermati non necessari, possibilità di usare cavi standard; motori speciali non necessari, è possibile comandare motori a induzione standard; filtri LC in uscita lato motore non necessari; filtri LC in Ingresso lato rete necessari ma di piccolo impatto perché solo per rimuovere ripple PWM di corrente; possibilità di facile e immediato retrofit di un parco sistemi tradizionali.

[0040] Blocchi principali.

[0041] Power supply per creare tutte le alimentazioni che servono alla scheda.

[0042] CPU µP/DSP per controllo degli inverters, protezioni, misure, I/O con il mondo esterno.

[0043] Misure, circuiti di rilevamento e adattamento segnali per poterli usare per controllo.

[0044] Gestione delle protezioni di: Overvoltage, Overcurrent, OverTemperature, Cortocircuiti.

[0045] Gestione della sequenza di: Start-up, Stop, Arresto in sicurezza.

[0046] Comunicazione digitale con PLC e mondo esterno.

[0047] Comunicazione analogica con PLC o mondo esterno.

[0048] Gestione Ventole di raffreddamento dissipatore e induttanza DC link.

[0049] Comunicazione con esterno ( Modbus, Ethernet, RS485), I/O digitali e I/O analogici.

[0050] Il sistema comprende anche due schede di protezione contro sovratensioni pericolose dovute all’induttanza DC link se questa non viene correttamente pilotata.

[0051] Il sistema comprende scheda di backup per le alimentazioni ausiliarie in modo da permettere l’arresto in sicurezza anche in mancanza delle stesse.

[0052] Il controllo del motore può essere configurato come v/f con compensazione dello slip o come flux vector (vettoriale) sensorless. In entrambi i casi una funzione di autotuning assiste nella rilevazione dei parametri da impostare. Il controllo provvede alla compensazione degli effetti del cavo drive-motore, la cui lunghezza va inserita come parametro di configurazione.

[0053] Facendo riferimento alle [Figs.3, 4, 5, 6], le caratteristiche di un modulo hardware sono: tastierino pannello frontale comprendente un display grafico con 4 pulsanti di navigazione con funzioni di soft-key, il display frontale per visualizzare i parametri standard di funzionamento (tensioni/correnti di linea e motore, velocità motore, stato degli ingressi digitali) nella pagina standard, altri valori (test point) disponibili tra le misure calcolate internamente (potenze, P.F, ecc.) e programmabili in pagine ausiliarie successive, possibilità di modificare in campo parametri e settaggi (con immissione di pwd per i riservati).

[0054] Dimensioni meccaniche massime: W (larghezza) x L (profondità) x H (altezza)= 487 x 418 x 469 mm.

Si sono descritte alcune forme preferite di attuazione dell’invenzione, ma naturalmente esse sono suscettibili di ulteriori modifiche e varianti nell’ambito della medesima idea inventiva. In particolare, agli esperti nel ramo risulteranno immediatamente evidenti numerose varianti e modifiche, funzionalmente equivalenti alle precedenti, che ricadono nel campo di protezione dell'invenzione come evidenziato nelle rivendicazioni allegate nelle quali, eventuali segni di riferimento posti tra parentesi non possono essere interpretati nel senso di limitare le rivendicazioni stesse. Inoltre, la parola "comprendente" non esclude la presenza di elementi e/o fasi diversi da quelli elencati nelle rivendicazioni. L’articolo “un”, “uno” o “una” precedente un elemento non esclude la presenza di una pluralità di tali elementi. Il semplice fatto che alcune caratteristiche siano citate in rivendicazioni dipendenti diverse tra loro non indica che una combinazione di queste caratteristiche non possa essere vantaggiosamente utilizzata.

Claims (6)

1. Rivendicazioni 1. Apparato di controllo di un motore a velocità variabile (M) per ventilatori e pompe, comprendente un primo inverter (11) collegato ad un secondo inverter (21) tramite una induttanza (31), un circuito di controllo (3) configurato per trasmettere e recuperare segnali di controllo di commutazione rispetto ad un circuito di pilotaggio, detto apparato caratterizzato dal fatto di essere progettato come un Active Front End (AFE), detto Active Front End (AFE) costituito da un Current Rectifier Inverter (CSR) verso una linea trifase, e da un Current Source Inverter (CSI) verso il motore elettrico, in modo da funzionare sia in generazione di energia, verso il motore (M), sia in rigenerazione di energia, durante la frenata del motore (M).
2. 2. Apparato di controllo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere un filtro capacitivo di ingresso (101) atto ad eliminare il rumore generato dalla frequenza di PWM, detto filtro (101) con induttanza esterna per limitare i disturbi verso la linea trifase, detto primo inverter (11) atto a funzionare sia quando viene fornita potenza al motore (M) come Buck-Rectifier Rigenerativo con Power Factor Correction (PFC) tendente a valore unitario per generare una corrente di DC link intermedia regolata, sia durante le frenature o inversioni di velocità del motore (M) mantenendo costante la corrente di bulk per controllare la tensione e la corrente in continua dell’inverter CSI d’uscita, una induttanza (31) di DC link per controllare ripple di corrente e gestione funzione di buck converter, detto secondo inverter (21) per controllo CSI del motore AC ad induzione, un filtro capacitivo di uscita (201) per eliminare il rumore generato dalla frequenza di PWM e limitare le armoniche di corrente.
3. 3. Apparato di controllo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che sia detto primo inverter (11), sia detto secondo inverter (21) è costituito da tre moduli IGBT / Diodo.
4. 4. Apparato di controllo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto primo inverter (11) e detto secondo inverter (21) è costituito da un convertitore DC-DC riduttore, due interruttori, nella fattispecie un transistor e un diodo, un induttore ed un condensatore.
5. 5. Apparato di controllo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere un frazionatore elettronico con diodo invertito.
6. 6. Apparato di controllo secondo una rivendicazione delle precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una scheda digitale a microprocessore per il controllo sia della funzionalità PFC Buck-Rectifier rigenerativo di ingresso, sia della funzionalità dell’inverter CSI di uscita.