ITBO930251A1 - "metodo di realizzazione di un inverter elettronico trifase erogante una tensione variabile in funzione della frequenza generata" - Google Patents

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Description

"METODO DI REALIZZAZIONE DI UN INVERTER ELETTRONICO TRIFASE EROGANTE UNA TENSIONE VARIABILE IN FUNZIONE DELLA FREQUENZA GENERATA"
RIASSUNTO
Il metodo consente la realizzazione di un inverter trifase con tensione variabile in funzione della frequenza.
Presenta i circuiti con l'utilizzo di componenti digitali e analogici di comune impiego che realizzano una forma d'onda della tensione erogata quasi sinusoidale, in assenza di rumorosit?, dovuta a fenomeni magnetostrittivi per effetto di componenti ad alta frequenza nella tensione erogata al motore. Realizza praticamente un inverter elettronico silenzioso.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
Il metodo innovativo realizza un inverter trifase erogante una tensione variabile, in funzione della frequenza generata, mediante un circuito specifico atto a fornire una tensione continua e variabile, producendo un inverter elettronico silenzioso.
Questa innovazione consiste nella realizzazione pratica di regole teoriche gi? note, in relazione all'ampiezza di impulso Ti e Ma costante di tempo degli avvolgimenti di campo del motore, al valore di picco Vi e all'intensit? massima di corrente.
E' noto che gli inverter commercialmente disponibili sul mercato per azionare motori elettrici ad induzione a frequenza variabile devono erogare una tensione variabile linearmente con la frequenza erogata.
Ci? viene ottenuto normalmente con la tecnica di modulare le singole semionde costituenti la tensione di uscita con la tecnica del "chopper", (detta anche Pulsa Width Modulation), che presenta per? 1'inconveniente di produrre rumorosit? nel motore per effetto di fenomeni magnetostrittivi dovuti alle frequenze di pilotaggio del "chopper".
Altro metodo usato ? quello di realizzare inverter eroganti una frequenza dipendente linearmente dalla tensione di alimentazione.
Con tale artificio la frequenza dell'inverter dipende dalla -tensione di alimentazione applicata: raddoppiando la tensione si raddoppia la frequenza. Tali inverter presentano per? una notevole complessit? circuitale e danno luogo a problemi per mantenere la tensione costante al variare del carico. L' inverter del trovato genera onde sfasate di 120 gradi la cui ampiezza di impulso Ti ? variabile, con una tensione di picco Vi anch'essa variabile, le quali agiscono secondo le note condizioni: l'ampiezza dell 'impulso Ti sar? minore o uguale a tre volte la costante di tempo del circuito equivalente degli avvolgimenti di campo del motore elettrico a induzione secondo la frequenza di funzionamento di periodo T; il valore di picco Vi sar? uguale a quello applicato negli avvolgimenti del motore e l'intensit? massima sar? 1'intensit? massima dell'onda sinusoidale per la potenza e la velocit? considerate nel motore.
Scopi e vantaggi dell'innovazione del trovato sono la realizzazione pratica di un inverter elettronico trifase erogante una tensione variabile in funzione della frequenza generata con i seguenti principali vantaggi .
Il funzionamento presenta assenza di rumorosit? dovuta a fenomeni magnetostrittivi per effetto di componenti ad alta frequenza presenti nella tensione erogata al motore.
La forma d 'onda della tensione erogata ? quasi sinusoidale in tutte le condizioni di funzionamento del motore con conseguente miglioramento del suo rendimento meccanico.
Si ottiene una notevole semplicit? circuitale con l'impiego di componenti analogici e digitali di comune impiego e quindi di costo contenuto.
Si raggiunge una notevole facilit? di manutenzione anche da parte di tecnici con basso livello di preparazione teorica.
Questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito vengono tutti raggiunti nel metodo innovativo oggetto del presente trovato.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi appariranno dalla descrizione che segue e dalle tavole allegate che illustrano in via schematica ed esemplificativa una forma di realizzazione del trovato.
Con riferimento a dette tavole:
- La fig. 1(A) rappresenta la forma d'onda delle tre tensioni sfasate di 120 gradi generate ai tre morsetti del motore del quale la fig. 1(B) rappresenta gli avvolgimenti.
- La fig. 2 illustra il circuito a ponte trifase costituito da sei transistori di potenza da cui si ottengono le tensioni indicate in fig. 1(A).
- La fig. 3(A) rappresenta il circuito atto a fornire una tensione continua e variabile, la fig. 3(B) la tensione continua pulsante di uscita, con una piccola ondulazione dipendente dal valore della capacit? e dalla resistenza interna del circuito che fornisce la tensione di rete.
- La fig. 4 mostra lo schema a blocchi dell'Inverter oggetto della presente invenzione.
- La fig. 5 illustra in dettaglio lo schema della figura precedente.
La fig. 6 mostra, dallo schema di fig. 5, i componenti che intervengono nell'alimentazione a bassa tensione.
- La fig. 7 illustra separatamente i componenti che generano la tensione variabile che alimenta il ponte trifase di transistori di potenza.
- La fig. 8 mostra come, all'ingresso dell'operatore operazionale si ottiene una rampa sincronizzata con il passaggio per lo 0 della tensione di rete.
- La fig. 9 illustra separatamente i componenti che controllano la sequenza di innesco dei transistori di potenza.
- La fig. 10 illustra, isolata, la parte di circuito corrispondente ai transistori d potenza ed ai relativi circuiti di pilotaggio.
- La fig. 11 mostra la sequenza di funzionamento per la generazione della tensione variabile.
Quanto al principio di funzionamento, la forma d'onda della tensione generata ai morsetti A, B, C presenta un andamento del tipo rappresentato in fig. 1(A), cio? con tre tensioni sfasate fra loro di 120 gradi ed in cui ogni semiperiodo ? costituito da un impulso rettangolare di durata Ti minore o uguale a T (dove T ? il periodo della frequenza generata) ed una ampiezza Vi; l'ampiezza Vi dell'impulso ? tale che, applicando il segnale di fig. IOa agli avvolgimenti del motore indicato in fig. 1(B), per effetto della costante di tempo degli avvolgimenti stessi, la corrente risultante avr? una intensit? massima che provocherebbe una tensione sinusoidale tale da fare funzionare il motore a piena potenza alla frequenza considerata .
In fig. 2 ? rappresentato il circuito a ponte trifase, costituito da sei transistori di potenza 1, 2, 3, 4, 5, 6, da cui mediante una adeguata sequenza dei tempi di saturazione/interdizione dei singoli transistor, si ottengono le tensioni (Va-Vb), (Vb-Vc), (Vc-Va) di periodo T indicate in fig. 1(A).
Se ?1 ponte ? alimentato con una tensione continua e variabile Vi, questa sar? la tensione di picco delle singole semionde di ciascuna fase (Va-Vb), (Vb-Vc), (Vc-Va), continuando i transistori di potenza a lavorare in stato di completa saturazione/interdizione.
Nella fig. 3(A) se il circuito di innesco applica impulsi al gate del triac 7 con un ritardo ? rispetto alla tensione alternata di alimentazione del ponte 8, questo si innescher? consentendo il passaggio, e la conseguente rettificazione, di una frazione soltanto del semiperiodo della tensione'di rete (indicata con tratto marcato nella parte superiore della fig. 3(B). Ai morsetti di uscita del raddrizzatore a ponte 8 si avr? perci? una tensione continua pulsante di uscita con valore di picco Emax sen ?, come rappresentato in fig. 3(B), e che, se come in questo caso, si collega un condensatore di filtro c (9), si otterr? una tensione continua di valore circa Emax sen ?, con una piccola ondulazione che dipender? dal valore di c 9, e dalla resistenza interna del circuito che fornisce la tensione di rete.
Variando l'angolo ? di innesco del triac 7 da 180 a 90 gradi rispetto alla onda di entrata, si pu? ottenere una tensione continua Vi variabile fra 0 e Emax volt.
La fig. 4 mostra lo schema a blocchi dell'Inverter, oggetto della presente invenzione, che ? indicato in dettaglio in fig. 5 e che ? capace di erogare una tensione di forma d?onda e frequenza come gi? visto in fig. 1.
Queste sono le funzioni dei singoli blocchi.
Blocco 10: REGOLATORE DI TENSIONE
Questo blocco, basato su un triac come regolatore di potenza, regola la rettificazione della rete mediante variazione dell'angolo di conduzione del triac. La tensione di pilotaggio del triac, proveniente dall'unit? di controllo, ? confrontata con la tensione di uscita dell 'Inverter, nel punto di riferimento, in modo da consentire il valore indicato dal riferimento con qualsiasi condizione di carico dell 'Inverter.
Blocco 11: RETTIFICAZIONE DI POTENZA
Rettifica la tensione alternata fornita dal triac del Blocco regolatore di tensione.
Blocco 12: FILTRO
E' il condensatore di filtro della corrente pulsante di uscita dal RETTIFICATORE DI POTENZA.
Blocco 13: PONTE TRIFASE TRANSISTORIZZATO
Questo blocco ? costituito dai transistori di potenza, che mediante saturazioni/interdizioni, gestite dall'unit? di controllo, generano all'uscita dell 'Inverter delle tensioni alternate il cui valore di cresta ? quello presente al condensatore del blocco 12 FILTRO e la cui frequenza e durata di impulso ? quella generata dal blocco 17 UNITA' DI PILOTAGGIO.
Blocco 14: RADDRIZZATORE ALIMENTAZIONE
Rettifica la tensione alternata di rete per alimentare, tramite il blocco 15, 1'UNITA' DI CONTROLLO .
Blocco 15: ALIMENTAZIONE UNITA' DI CONTROLLO
Genera tutti i livelli di tensione continua necessari al funzionamento della logica di controllo dell 'Inverter, in particolare del Microprocessore dell 'UNITA' DI CONTROLLO e dei circuiti degli altri blocchi .
Blocco 16: UNITA' DI CONTROLLO
Questo blocco si basa su un microprocessore che genera la sequenza dei segnali che pilotano la conduzione/interdizione dei transistori di potenza del blocco 13, calcolando i tempi di conduzione e le sequenze appropriate.
Blocco 17: UNITA' DI PILOTAGGIO
Questo blocco adatta i segnali di pilotaggio, generati dall 'UNITA' DI CONTROLLO, dal livello logico (0-5 volt) al livello (0-Vcc) richiesto per pilotare a saturazione/interdizione i transistori del blocco 13.
La funzione che espletano i diversi componenti del circuito di fig. 5 e di cui il funzionamento per blocchi ? stato descritto sopra ? la seguente:
- Alimentazione bassa tensione
In fig. 6 sono riportati, dallo schema generale di fig. 5 i componenti che intervengono nell'alimentazione a bassa tensione. La tensione di rete presente ai morsetti del connettore 18 viene rettificata dal ponte raddrizzatore 19.
La resistenza 20 insieme al diodo zener 21 generano una tensione stabilizzata di 5 volt, che ? filtrata dal condensatore 22. Analogamente la resistenza 23 insieme al diodo zener 24 generano una tensione stabilizzata di Vcc volt, che ? filtrata dal condensatore 25. I diodi 26 e 27 impediscono indebiti ritorni fra le due tensioni generate.
- Generazione della tensione variabile Vi
Nella fig. 7 sono isolati i componenti che generano la tensione variabile Vi che alimenta il ponte trifase dei transistori di potenza. Il triac 28 blocca la tensione di rete presente al connettore 18 fino al ponte raddrizzatore 29. Nel momento in cui il fototriac 31 entra in conduzione, 30 immette corrente nel gate del triac che entra in conduzione e collega la rete al raddrizzatore 29; ai capi di 32 si genera cosi una tensione continua variabile Vi il cui valore dipende dal valore dell'angolo di innesco ? del triac, secondo quanto descritto nei paragrafi precedenti .
Si noti che la tensione continua variabile generata Vi ha lo stesso riferimento di tensione a 0 volt di cui detto precedentemente. Il condensatore 33, che ? collegato all'entrata (+) dell'amplificatore operazionale invertente 34, che controlla il fototriac 31, viene caricato alla tensione Vcc con la costante di tempo: Capacit? 33 x Resistenza 35. Normalmente l?uscita dell'amplificatore operazionale 36 ? a livello Vcc ed ? bloccata fino a 33 dal diodo 37. Quanto l'ingresso (+) dell'amplificatore operazionale 36, collegata all'anodo di 26, ? minore della tensione dell'ingresso (-) dello stesso amplificatore, che ? collegata al divisore formato da 38 e 39, il valore della tensione all'uscita di 36 diventa di 0 volt, scaricando rapidamente il condensatore 33 attraverso il diodo 37. In tal modo all'ingresso (+) dell'amplificatore operazionale 34 avremo a disposizione una rampa sincronizzata con il passaggio per lo zero della tensione di rete come rappresentato in fig. 8.
L'amplificatore operazionale 40, collegato come inseguitore di tensione, riproduce la tensione del divisore, con struttura di sommatore, costituito dalle resistenze 41, 42, 43, 44, 45, che sono collegate mediante i diodi 46, 47, 48, 49, ai morsetti del connettore 50 che riceve dal microprocessore il segnale digitale corrispondente alla frequenza che 11Inverter deve generare.
Nel condensatore 51 (collegata all'ingresso (-) di 34) si ottiene una tensione con un fattore di amplificazione determinato dal rapporto Resistenze 52/53 proporzionale alla differenza della tensione di riferimento (uscita di 40) e dalla tensione di uscita del partitore costituito da 54 e 55.
Tornando all'amplificatore operazionale 34, all'ingresso (+) si ha una rampa sincronizzata con il passaggio per lo zero della tensione di rete. Quando il valore di tensione della rampa ? maggiore del valore all?ingresso (-), che ? proporzionale alla tensione di uscita dell 'Inverter, l'uscita di 34 scatta da 0 a Vcc, innescando il fototriac 31 e quindi anche il triac 28.
Concludendo 1 'angolo ? di innesco del triac 28 aumenta con il crescere dalla tensione del condensatore 32 e come conseguenza la tensione al condensatore 32 tender? al valore di riferimento dato da 40.
La fig. 11 illustra la sequenza di funzionamento sopra esposta.
- Unit? di controllo
In fig. 9 si sono isolati i componenti che controllano la sequenza di innesco dei transistori di potenza e pertanto la frequenza e quindi la velocit? del motore.
L'unit? di controllo ? costituita da un microprocessore 59, dalla circuitazione associata per il funzionamento dell'oscillatore interno, dal quarzo e dai condensatori 57 e 58. Il microprocessore genera le forme d'onda che, mediante gli adattatori di livello, portano i transistori di potenza in condizione di saturazione/interdizione.
Il microprocessore comunica con l'esterno mediante il connettore 50 e mediante microinterruttori chiusi, o aperti, fra il contatto 1 del connettore e i contatti 2, 3, 4, 5 e 6. Il microprocessore pone 11inverter in posizione di marcia/arresto e la frequenza corrispondente alla velocit? che si vuole ottenere dal motore.
- Saturazione/interdizione del transistori di potenza Nella fig. 10 ? stata isolata la parte di circuito corrispondente ai transistori di potenza e ai relativi circuiti di pilotaggio.
I transistori di potenza 1, 2, 3, 4, 5, 6 ed i relativi diodi di protezione inversa 60, 61, 62, 63, 64, 65 formano la struttura tipica di un ponte trifase per Inverter. Le uscite dei singoli bracci del ponte sono portate al connettore 66 a cui sar? collegato il motore.
I circuiti pilota dei transistori di potenza 4, 5, 6, di cui le "source" sono a livello 0 volt, si realizzano mediante la connessione dei "gate" alle uscite degli amplificatori operazionali 67, 68 e 69. Le uscite di questi amplificatori si trovano a 0 volt per tutto il tempo in cui gli ingressi (+) degli stessi, collegati alle porte B fig. 9 del microprocessore 59, PB1, PB3 e PB5, sono a 0 volt, poich? le entrate (-) sono collegate alla tensione del partitore formato da 70 e 71, che ? maggiore di 0 e minore di 5 volt. In tale condizione i transistor di potenza sono in condizione di interdizione, ma quando una qualsiasi delle porte B di uscita del microprocessore 59, PB1, PB3 e PB5 passer? allo stato logico 1 (+5 volt) le uscite dei corrispondenti amplificatori operazionali 67, 68 e 69, scatteranno alla tensione Vcc, portando in saturazione il transistore di potenza associato.
Il pilotaggio dei transistori di potenza 1, 2 e 3, di cui le "source" sono al livello della tensione di uscita dell 'Inverter e sono flottanti, si realizza portando il riferimento della tensione Vcc di 0 volt al livello delle relative "source" mediante l'uso di accoppiatori optoelettronici 72, 73, 74, ottenendo cosi la condizione di saturazione.
Gli accoppiatori 72, 73 e 74 si attivano mediante le resistenze 75, 76, 77 quando le uscite della porta B del microprocessore 59, PBO, PB2 e PB4 sono allo stato logico di 0 volt; in tale condizione i transistori di potenza associati sono in stato di saturazione. Quando dette uscite passano a livello logico 1 (+5 volt) gli accoppiatori 72, 73 e 74 sono disattivati ed i transistori di potenza associati passano all'interdizione .
I diodi e capacit? 78, 79 e analoghi, portano il valore della tensione Vcc di riferimento a 0 volt al livello delle "source" dei transistor 1, 2 e 3 come indicato in fig. 11.
Quando il transistor 4 si trova in stato di saturazione 1 si trova in stato di interdizione per cui 72 ? in stato non attivo di conduzione; d'altra parte poich? 4 ? in condizione di saturazione il "drain" si trover? praticamente a 0 volt, facendo circolare la corrente lei per 78 e 79, caricando il condensatore 79 al valore Vcc.
Quando il transistor 4 passa allo stato di interdizione, il condensatore 79 si trova caricato alla tensione di valore Vcc con riferimento al "source" di 1. Nel momento in cui il fotoaccoppiatore si attiva, esso collegher? il polo positivo di 79 al "gate" di 1 e, dato che si trova riferito al "source", si stabilir? la tensione Vcc fra "gate" e "source" di 1.
Il diodo 78 blocca la scarica del condensatore 79 nel senso inverso nel momento in cui il "drain" di 4 si trova al punto di tensione massima di uscita dell 'Inverter.
La stessa funzione, spiegata per 78 e 79 e per i transistori 1 e 4, viene attuata dai diodi e capacit? collegate, per i transistori 2 e 5 e per i transistori 3 e 6.
Le correnti Ic2 e Ic3 circolano quando i transistori 5 e 6 sono in condizioni di saturazione.
Il presente trovato illustrato e descritto in via schematica ed esemplificativa deve intendersi estensibile a quelle varianti accessorie che come tali ne rientrano nell'ambito.
Nella pratica attuazione infatti i materiali impiegati ed i particolari tecnici, a seconda delle esigenze, potranno essere sostituiti da altri tecnicamente equivalenti senza per questo uscire dallo ambito di protezione delle seguenti rivendicazioni .

Claims (1)

  1. RIVENDICAZIONI 1 - METODO DI REALIZZAZIONE DI UN INVERTER ELETTRONICO TRIFASE EROGANTE UNA TENSIONE VARIABILE IN FUNZIONE DELLA FREQUENZA GENERATA, caratterizzato dal fatto che realizza un circuito composto da diversi blocchi con le funzioni specifiche di: Alimentazione a bassa tensione; Generazione di una tensione variabile; Unit? di controllo; Saturazione/ Interdizione dei transistori di partenza. 2 - METODO, come alla riv. 1, caratterizzato dal fatto che, nel circuito specifico, l'Alimentazione a bassa tensione ? realizzata con un ponte raddrizzatore della tensione alternata di rete che, rettificata dal ponte, con una resistenza ed un diodo Zener ? stabilizzata rispettivamente a 5 volt e a Vcc Volt e filtrata da un condensatore. 3 - METODO, come alle riw . precedenti, caratterizzato dal fatto che la tensione variabile che alimenta il ponte trifase dei transistori di potenza ? realizzata per la conduzione di un fototriac che eccita la conduzione di un triac che collega la rete ad un raddrizzatore e da questo ad un condensatore ai cui capi si ottiene una tensione continua, variabile secondo un valore dipendente dall?angolo di innesco del triac, il cui valore aumenta con il crescere della tensione del condensatore suddetto. 4 METODO, come alle riw . precedenti caratterizzato dal fatto che l'Unit? di Controllo ? realizzata con un microprocessore che genera le forme d'onda che, tramite gli addensatori di livello, portano i transistori di potenza in condizione di saturazione/interdizione e pone 1'inverter in posizione di marcia/arresto e la frequenza corrispondente alla velocit? che si vuole ottenere dal motore. 5 - METODO, come alle riw . precedenti, caratterizzato dal fatto che la saturazione/interdizione dei transistori di potenza ? realizzata con un pilotaggio degli stessi tramite amplificatori operazionali e accoppiatori optoelettronici che si attivano mediante resistenze quando le uscite dal microprocessore sono allo stato logico 0 (saturazione dei transistori) e, quando passano allo stato logico 1 (+5 volt), gli accoppiatori sono disattivati (transistori in interdizione ).
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