ITBO20120384A1 - Sistema di alimentazione elettrica per alimentare potenza elettrica ad una pluralita' di motori elettrici - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“SISTEMA DI ALIMENTAZIONE ELETTRICA PER ALIMENTARE POTENZA ELETTRICA AD UNA PLURALITÀ DI MOTORI ELETTRICIâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad un sistema di alimentazione elettrica per alimentare potenza elettrica ad una pluralità di motori elettrici, ed in particolare motori brushless.

Esistono fondamentalmente due tipi di sistemi per alimentare elettricamente motori brushless. Un primo tipo di sistema comprende un unico alimentatore che converte la tensione in corrente alternata fornita dalla rete elettrica in una tensione in corrente continua da distribuire ai vari motori tramite un bus in corrente continua. Normalmente ciascun motore brushless à ̈ provvisto di un proprio inverter di comando trifase che converte la tensione in corrente continua negli appositi segnali in corrente alternata che azionano il motore brushless. Il secondo tipo di sistema comprende, per ciascun motore brushless, un rispettivo alimentatore di tensione in corrente continua che alimenta l’inverter di comando del motore brushless ed un bus in corrente alternata che distribuisce la tensione in corrente alternata a tutti gli alimentatori associati ai motori brushless.

Il sistema con bus in corrente continua ha il vantaggio di avere un unico circuito di frenatura per il recupero dell’energia che viene prodotta dai motori quando sono in frenatura. In tal modo, il circuito di frenatura può essere dimensionato a seconda delle esigenze e può essere facilmente integrato nell’unico alimentatore in corrente continua. Tuttavia, l’alimentatore in continua va ridimensionato al variare del numero di motori e necessita di notevoli precauzioni per garantirne la sicurezza di funzionamento, in quanto, dovendo alimentare molti motori, à ̈ un dispositivo che eroga correnti molto elevate. Inoltre, l’alimentatore ha bisogno di un notevole spazio di alloggiamento da ricavare necessariamente all’interno di un armadio elettrico.

Gli alimentatori del sistema con bus in corrente alternata sono dimensionati, ciascuno, in funzione della potenza richiesta dal rispettivo motore e quindi hanno potenza e dimensioni più ridotte di quelle dell’unico alimentatore di un sistema con bus in corrente continua. Di conseguenza, gli alimentatori di un sistema con bus in corrente alternata possono essere montati a bordo dei rispettivi motori e quindi non à ̈ necessario alloggiare l’elettronica degli alimentatori negli armadi elettrici. Tuttavia, l’alimentatore e l’inverter di comando montati a bordo di ciascun motore deve essere in grado di recuperare o dissipare localmente l’energia prodotta dal motore in frenatura.

Scopo della presente invenzione à ̈ di realizzare un sistema di alimentazione per alimentare potenza elettrica ad una pluralità di motori brushless, il quale sistema consenta di superare gli inconvenienti di entrambi i tipi di sistema sopra descritti (con bus in corrente continua e con bus in corrente alternata), ed in particolare non necessita di montare componenti aggiuntivi all’interno degli armadi elettrici, e, nello stesso tempo, sia di facile ed economica realizzazione.

In accordo con la presente invenzione viene fornito un sistema di alimentazione elettrica per alimentare potenza elettrica ad una pluralità di motori elettrici secondo quanto definito nelle rivendicazioni allegate.

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento alla figura unica annessa, che ne illustra un esempio di attuazione non limitativo mediante uno schema a blocchi.

Nella figura, con 1 sono indicati motori elettrici costituiti, per esempio, da motori brushless trifase, con 2 sono indicati gli inverter di comando montati a bordo dei rispettivi motori 1, e con 3 à ̈ genericamente indicato, nel suo complesso, il sistema di alimentazione elettrica realizzato secondo l’invenzione per alimentare potenza elettrica ai motori 1, ed in particolare per alimentare potenza elettrica agli inverter di comando 2 dei motori 1. Ciascun inverter di comando 2 à ̈ di tipo noto, per esempio à ̈ costituito da un ponte di IGBT trifase, ed à ̈ alimentabile da una tensione in corrente continua.

Il sistema di alimentazione elettrica 3 comprende una pluralità di alimentatori 4, ciascuno dei quali à ̈ associato ad un rispettivo motore 1 ed à ̈ atto a ricevere una rispettiva tensione in corrente alternata VACi da un quadro di controllo esterno (non illustrato) ed a fornire una corrispondente tensione in corrente continua VDCi per l’alimentazione del rispettivo inverter di comando 2, e quindi del rispettivo motore 1. Nell’esempio considerato, ciascun inverter di comando 2 converte la rispettiva tensione in corrente continua VDCi in una rispettiva tensione in corrente alternata trifase da alimentare al rispettivo motore 1. La figura illustra due motori 1 e quindi due alimentatori 4 che ricevono separatamente due rispettive tensioni in corrente alternata VACi e VACi+1 e forniscono due rispettive tensioni in corrente continua VDCi e VDCi+1. Ciascun alimentatore 4 può essere convenientemente montato a bordo del rispettivo motore 1, e quindi integrato con il rispettivo inverter di comando 2. L’insieme formato dal motore 1, dal rispettivo inverter di comando 2 e dal rispettivo alimentatore 4 costituisce un gruppo motore.

Ciascun alimentatore 4 comprende un rispettivo raddrizzatore 5, per esempio del tipo a ponte di diodi, che riceve e raddrizza la rispettiva tensione in corrente alternata VACi, ed un condensatore di livellamento di tensione 6 collegato a valle del raddrizzatore 5 per livellare la tensione fornita dal raddrizzatore 5 e fornire, quindi la rispettiva tensione in corrente continua VDCi. Il valore di capacità del condensatore 6 à ̈ dimensionato in modo tale da assicurare un ripple accettabile sulla tensione in corrente continua VDCi e garantire un accumulo di energia elettrica durante la fase di frenatura del rispettivo motore 1. L’insieme costituito dal raddrizzatore 5 e dal condensatore 6 ed il suo funzionamento sono noti e quindi non vengono descritti con ulteriore dettaglio.

Ciascun alimentatore 4 comprende, inoltre, una rispettiva resistenza di frenatura 7 collegata in parallelo al rispettivo condensatore 6 per dissipare l’energia prodotta dal rispettivo motore 1 quando quest’ultimo à ̈ in frenatura. Un fusibile 8 à ̈ disposto in serie ad un terminale di ingresso del raddrizzatore 5 per proteggere l’alimentatore 4 da sovracorrenti.

Secondo l’invenzione, il sistema di alimentazione elettrica 3 comprende un bus in corrente continua 9 per collegare in parallelo tra loro le uscite dei raddrizzatori 5 di tutti gli alimentatori 4. Il bus in corrente continua 9 à ̈ costituito essenzialmente da due conduttori elettrici che collegano i terminali di uscita di raddrizzatori 5 tra loro. Il bus in corrente continua 9 à ̈ condiviso quindi dalle uscite in corrente continua di tutti i raddrizzatori 5, i quali di conseguenza condividono la medesima tensione di uscita che, in generale, à ̈ in corrente non alternata. Un fusibile 10 à ̈ collegato in serie ad un terminale di uscita del raddrizzatore 5 per proteggere l’alimentatore 4 dai cortocircuiti che si potrebbero verificare nel bus in corrente continua 9.

Ciascun alimentatore 4 comprende un rispettivo dispositivo modulatore di corrente 11 collegato tra l’uscita del raddrizzatore 5 ed il condensatore 6 per poter modulare la carica del condensatore 6 all’accensione del rispettivo motore 1 o impedire la circolazione di corrente tra il bus in corrente continua 9 ed il condensatore 6 quando si vuole essere sicuri di fermare il motore 1, come verrà spiegato meglio in seguito. L’alimentatore 4 comprende un rispettivo ulteriore dispositivo modulatore di corrente 12 collegato in serie alla resistenza 7 per poter regolare la dissipazione dell’energia di frenatura. I due dispositivi modulatori di corrente 11 e 12 sono costituiti da rispettivi dispositivi MOSFET collegati con drain e source in serie ad un terminale di uscita del rispettivo raddrizzatore 5.

Inoltre, ciascun alimentatore 4 comprende un sensore di tensione 13 per rilevare il livello della rispettiva tensione in corrente continua VDCi, un ulteriore sensore di tensione 14 per rilevare la presenza della rispettiva tensione in corrente alternata VACi all’ingresso dell’alimentatore 4, ossia all’ingresso del rispettivo raddrizzatore 5, ed una unità di controllo 15 che riceve comandi, indicati genericamente con COM nella figura, dal quadro di controllo esterno e che à ̈ configurata per comandare i dispositivi modulatori di corrente 11 e 12 in funzione dei comandi ricevuti e dei segnali trasmessi dai sensori di tensione 13 e 14. Le unità di controllo 15 sono alimentate in maniera indipendente dalle tensioni in corrente alternata VACi, tramite una bassa tensione in corrente continua, chiamata qui di seguito tensione di alimentazione logica VDCL. La tensione di alimentazione logica VDCL à ̈ costituita, per esempio, da una tensione in corrente continua di 24 Volt.

Infine, ciascun alimentatore 4 comprende un sensore di temperatura 16 disposto in prossimità della resistenza di frenatura 7 per fornire all’unità di controllo 15 un segnale indicativo del valore di temperatura a cui si trova la resistenza 7. Siccome, l’alimentatore 4 à ̈ montato a bordo del motore 1, di fatto il segnale fornito dal sensore di temperatura 16 à ̈ anche indicativo della temperatura del relativo gruppo motore.

La unità di controllo 15 à ̈ configurata per funzionare nel modo descritto qui di seguito.

Quando la unità di controllo 15 riceve, dal quadro di controllo esterno, un comando di abilitazione COM, che verrà fornito solo quando all’ingresso dell’alimentatore 4 à ̈ presente la rispettiva tensione in corrente alternata VACi, la unità di controllo 15 stessa comanda il dispositivo modulatore di corrente 12 in modo tale da impedire la circolazione di corrente nella resistenza 7 e, allo stesso tempo, comanda il dispositivo modulatore di corrente 11 per regolare la corrente di carica del condensatore 6 in funzione del livello della tensione in corrente continua VDCi in modo tale da permettere una salita lineare del livello della tensione in corrente continua VDCi fino al raggiungimento di un valore nominale. In altre parole, in seguito al comando di abilitazione COM, la unità di controllo 15 comanda il dispositivo modulatore di corrente 12 per configurarlo come un interruttore aperto e il dispositivo modulatore di corrente 11 per configurarlo come un interruttore chiuso ma comunque in grado di limitare il passaggio di corrente durante questa prima fase di carica del condensatore 6. Per fare questo, il MOSFET del dispositivo modulatore di corrente 11 viene utilizzato nella sua zona di funzionamento in saturazione . La regolazione della corrente di carica del condensatore 6 deve consentire il raggiungimento del valore nominale in un periodo pari a circa 1 secondo. Al termine di tale periodo, il motore 1 dispone dell’energia per potersi muovere e viene posto in marcia non appena l’inverter di comando 2 riceve un comando di avvio dal quadro di controllo esterno.

Dunque, gli alimentatori 4 che hanno ricevuto il comando di abilitazione COM condividono, tramite il bus in corrente continua 9, la tensione in corrente continua che generano. In altre parole, le tensioni in corrente continua VDCi generate dagli alimentatori 4 abilitati convergono rapidamente ad un'unica tensione in corrente continua VDC grazie alla presenza del bus in corrente continua 9. Poiché gli alimentatori 4, e quindi i motori 1, condividono il bus in corrente continua 9, ogni motore 1 in fase di frenatura apporterà il proprio contributo di energia al bus in corrente continua 9. La potenza elettrica disponibile sul bus in corrente continua 9 aumenta con l’aumentare del numero dei motori 1.

Quando tutti gli alimentatori 4 ricevono le rispettive tensioni in corrente alternata VACi ed un solo motore 1 à ̈ in marcia, in quanto ha ricevuto il comando di avvio, allora la corrente assorbita dal motore 1 in marcia verrà fornita, per una sua frazione, dal rispettivo alimentatore 4 e, per la restante parte, dagli altri alimentatori 4 abilitati, attraverso il bus in corrente continua 9.

Se invece un motore 1 à ̈ in frenatura, allora l’energia generata dalla frenatura del motore 1 verrà distribuita agli altri alimentatori 4 abilitati tramite il bus in corrente continua 9 e quindi sarà a disposizione degli altri motori 1. A seconda dello stato di funzionamento degli altri motori 1 si potranno avere le due situazioni seguenti. Se ci sono altri motori in marcia 1 in grado di assorbire l’energia di frenatura recuperata tramite il bus in corrente continua 9, allora l’energia in corrente alternata richiesta dai rispettivi alimentatori 4 verrà automaticamente ridotta. Se invece, gli altri motori 1 non sono in grado di assorbire tutta l’energia di frenatura recuperata, allora la tensione in corrente continua VDC sul bus in corrente continua 9 à ̈ destinata ad aumentare e a caricare ulteriormente tutti i condensatori 6.

La unità di controllo 15 à ̈ configurata per comandare il dispositivo modulatore di corrente 12 in modo tale che esso permetta la circolazione di corrente nella resistenza 7 quando il livello della tensione in corrente continua VDC, rilevato dal rispettivo sensore di tensione 13, raggiunge o supera una soglia di tensione VTH prestabilita. In questo modo, l’energia di frenatura in eccesso, che farebbe aumentare la tensione in corrente continua VDC oltre alla soglia di tensione VTH, viene dissipata sulla resistenza 7.

La unità di controllo 15 à ̈, inoltre, configurata per variare la soglia di tensione VTH in funzione del segnale di temperatura fornito dal sensore di temperatura 16, ed in particolare per aumentare la soglia di tensione VTH all’aumentare della temperatura misurata dal sensore di temperatura 16. In questo modo, il sistema di alimentazione elettrica 3 evita che, a causa degli inevitabili errori di lettura della tensione VDC da parte dei sensori di tensione 13 e delle cadute di tensione lungo il bus in corrente continua 9, l’energia di frenatura in eccesso venga sistematicamente dissipata su una sola resistenza 7, andando così a surriscaldare il rispettivo gruppo motore. L’effetto della regolazione della soglia di tensione VTH in funzione della temperatura della rispettiva resistenza 7 à ̈, dunque, di fare dissipare l’energia di frenatura in eccesso sul gruppo motore a temperatura inferiore.

Ci sono situazioni di emergenza in cui si vuole mantenere il motore 1 sicuramente fermo. In questi casi, il quadro di controllo esterno taglia la potenza in corrente alternata destinata la motore 1, cioà ̈ toglie la tensione in corrente alternata VACi dall’ingresso del rispettivo alimentatore 4. A tale scopo, ciascuna unità di controllo 15 à ̈ configurata per comandare il dispositivo modulatore di corrente 11 in modo tale che esso impedisca la circolazione di corrente (interruttore aperto) tra il bus in corrente continua 9 ed il condensatore 6 quando il sensore di tensione 14 rivela l’assenza della rispettiva tensione in corrente alternata VACi. In questo modo il motore 1 non può assorbire energia elettrica dal bus in corrente continua 9. Inoltre, ciascuna unità di controllo 15 à ̈ configurata per comandare il secondo dispositivo modulatore di corrente 12 in modo tale che esso permetta la circolazione di corrente (interruttore chiuso) nella resistenza 7 quando il sensore di tensione 14 rivela l’assenza della rispettiva tensione in corrente alternata VACi. Dunque, in mancanza della tensione in corrente alternata VACi, l’eventuale energia generata da un motore 1 in fase di frenatura viene dissipata nella resistenza 7 e non viene trasferita, tramite il bus in corrente continua 9, agli altri motori 1 in quanto il bus in corrente continua 9 rimane scollegato dal motore 1.

Lo stato in cui vengono portati i due dispositivi modulatori di corrente 11 e 12 quando manca la relativa tensione in corrente alternata VACi corrisponde allo stato di “reset†dell’alimentatore 4.

L’alimentatore 4 si porta automaticamente nello stato di “reset†nei casi in cui la unità di controllo 15 smetta di funzionare e perda il controllo dei dispositivi 11 e 12, per esempio quando viene a mancare la tensione di alimentazione logica VDCL. In questi casi, il dispositivo 11 si porta naturalmente nella configurazione di interruttore aperto ed il dispositivo 12 resta nella configurazione di interruttore chiuso fino a quando la tensione in corrente continua VDCi ai capi del rispettivo condensatore 6 rimane superiore ad una soglia di tensione inferiore Vmin che dipende dalle caratteristiche del dispositivo 2. In questa situazione, il motore 1 non riceve più alimentazione dalla rispettiva tensione in corrente alternata VACi e, qual’ora fosse in marcia, si ferma repentinamente, dissipando tutta la propria energia di frenatura sulla rispettiva resistenza 7.

Secondo una ulteriore forma di attuazione non illustrata della presente invenzione, il sistema di alimentazione elettrica 3 comprende un sistema di accumulo dell’energia elettrica collegato al bus in corrente continua 9 per poter immagazzinare l’energia generata da motori 1 che lavorano spesso in frenatura, per esempio i motori degli ascensori che lavorano in frenatura ogni volta che l’ascensore scende.

I vantaggi forniti dal sistema di alimentazione elettrica 3 sopra descritto sono molteplici, alcuni dei quali vengono indicati qui di seguito.

Il sistema di alimentazione elettrica 3 consente di recuperare l’energia elettrica generata dai motori 1 in fase di frenatura per fornirla direttamente ai motori 1 in fase di marcia. Ne consegue che l’energia elettrica verrà dissipata sulla resistenza 7 solo in casi particolari, per esempio con l’arresto di emergenza contemporaneo di tutti i motori 1.

Il sistema di alimentazione elettrica 3 non pone problemi di dimensionamento degli alimentatori 4, in quanto ciascun gruppo motore contribuisce, nella rete di motori 1 collegati tramite il bus in corrente continua 9, con una propria potenza elettrica massima che, se non utilizzata, Ã ̈ comunque disponibile per gli altri gruppi motori.

Con il sistema di alimentazione elettrica 3 il ripple sulla tensione in corrente continua VDC à ̈ di entità mediamente inferiore, rispetto ai sistemi di alimentazione noti, in quanto una buona parte dell’energia di picco necessaria per accelerare un motore 1 viene presa dagli altri gruppi motori che in quel momento ne dispongono.

Infine, il sistema di alimentazione elettrica 3 Ã ̈ utilizzabile con qualsiasi tipo di motore elettrico, sia in corrente alternata trifase che in corrente continua, cambiando semplicemente la tipologia degli inverter di comando dei motori.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di alimentazione elettrica per alimentare potenza elettrica ad una pluralità di motori elettrici (1), il sistema di alimentazione elettrica (3) comprendendo una pluralità di alimentatori (4), ciascuno dei quali à ̈ associato ad un rispettivo motore (1) e comprende rispettivi mezzi raddrizzatori di tensione (5) atti a ricevere un rispettiva tensione in corrente alternata (VACi) ed un rispettivo condensatore di livellamento di tensione (6) collegato a valle dei mezzi raddrizzatori di tensione (5) per fornire una rispettiva tensione in corrente continua (VDCi) da alimentare al motore (1); il sistema di alimentazione elettrica (3) essendo caratterizzato dal fatto di comprendere un bus in corrente continua (9) collegato in parallelo all’uscita dei mezzi raddrizzatori di tensione (5) di tutti gli alimentatori (4) in modo tale che questi ultimi possano condividere la medesima tensione di uscita.
2. 2. Sistema di alimentazione elettrica secondo la rivendicazione 1, in cui ciascun alimentatore (4) comprende un rispettivo primo dispositivo modulatore di corrente (11) collegato tra l’uscita dei rispettivi mezzi raddrizzatori di tensione (5) ed il condensatore di livellamento di tensione (6) per poter modulare la carica del condensatore di livellamento di tensione (6) o impedire la circolazione di corrente tra il bus in corrente continua (9) ed il condensatore di livellamento di tensione (6).
3. 3. Sistema di alimentazione elettrica secondo la rivendicazione 2, in cui ciascun alimentatore (4) comprende rispettivi primi mezzi sensori di tensione (13) per rilevare il livello della rispettiva tensione in corrente continua (VDCi) e mezzi di controllo (15) configurati per comandare il primo dispositivo modulatore di corrente (11) in funzione del livello della tensione in corrente continua (VDCi) in modo tale da permettere una salita lineare della tensione in corrente continua (VDCi) quando i mezzi di controllo (15) stessi ricevono un comando di abilitazione (COM).
4. 4. Sistema di alimentazione elettrica secondo la rivendicazione 3, in cui ciascun alimentatore (4) comprende secondi mezzi sensori di tensione (14) per rilevare la presenza della rispettiva tensione in corrente alternata (VACi) all’ingresso dei rispettivi mezzi raddrizzatori di tensione (5); detti mezzi di controllo (15) essendo configurati per comandare il primo dispositivo modulatore di corrente (11) in modo tale che esso impedisca la circolazione di corrente tra detto bus in corrente continua (9) ed il rispettivo condensatore di livellamento di tensione (6) in assenza di detta tensione in corrente alternata (VACi).
5. 5. Sistema di alimentazione elettrica secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui ciascun alimentatore (4) comprende una rispettiva resistenza di frenatura (7) collegata in parallelo al rispettivo condensatore di livellamento di tensione (6) per dissipare l’energia prodotta dai motori (1) in fase di frenatura e accumulata sui condensatori di livellamento di tensione (6), ed un secondo dispositivo modulatore di corrente (12) collegato in serie alla resistenza di frenatura (7) per poter regolare la dissipazione dell’energia di frenatura.
6. 6. Sistema di alimentazione elettrica secondo la rivendicazione 5, in cui ciascun alimentatore (4) comprende mezzi di controllo (15) configurati per comandare il rispettivo secondo dispositivo modulatore di corrente (12) in modo tale che esso impedisca la circolazione di corrente nella resistenza di frenatura (7) quando i mezzi di controllo (15) stesso ricevono un comando di abilitazione (COM).
7. 7. Sistema secondo la rivendicazione 6, in cui ciascun alimentatore (4) comprende secondi mezzi sensori di tensione (14) per rilevare la presenza della rispettiva tensione in corrente alternata (VACi) all’ingresso dei rispettivi mezzi raddrizzatori di tensione (5); detti mezzi di controllo (15) essendo configurati per comandare detto secondo dispositivo modulatore di corrente (12) in modo tale che esso permetta la circolazione di corrente nella resistenza di frenatura (7) in assenza di detta tensione in corrente alternata (VACi).
8. 8. Sistema di alimentazione elettrica secondo una delle rivendicazioni da 5 a 7, in cui ciascun alimentatore (4) comprende primi mezzi sensori di tensione (13) per rilevare il livello della rispettiva tensione in corrente continua (VDCi) e mezzi di controllo (15) configurati per comandare detto secondo dispositivo modulatore di corrente (12) in modo tale che esso permetta la circolazione di corrente nella resistenza di frenatura (7) quando il livello della tensione in corrente continua (VDCi) raggiunge o supera una soglia di tensione prestabilita (VTH).
9. 9. Sistema di alimentazione elettrica secondo la rivendicazione 8, in cui ciascuna alimentatore (4) comprende mezzi sensori di temperatura (16) per fornire un segnale indicativo del valore di temperatura di detta resistenza di frenatura (7); detti mezzi di controllo (15) essendo configurati per regolare detta soglia di tensione (VTH) in funzione di detto segnale fornito dai mezzi sensori di temperatura (16).