ITCT20100003A1 - Sistema e metodo di controllo per l'ottimizzazione energetica di azionamenti con motori in corrente alternata - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione avente per Titolo: "Sistema e metodo di controllo per l'ottimizzazione energetica di azionamenti con motori in corrente alternata",

Formano oggetto della presente invenzione un sistema ed un metodo per la riduzione delle perdite ed il miglioramento del rendimento, in un ampio intervallo di funzionamento, di azionamenti con motore in corrente alternata controllati scalarmente, senza sensori di flusso, né di posizione, né di velocità.

Gli azionamenti elettrici con motore asincrono e sincrono sono oggi largamente diffusi in applicazioni industriali diverse, nella trazione elettrica, nella realizzazione di macchine utensili, pompe, nastri trasportatori, ove stanno progressivamente soppiantando i tradizionali azionamenti elettrici in corrente continua, grazie alla maggiore robustezza, alla ridotta manutenzione ed ai costi inferiori.

Gli azionamenti elettrici con motore asincrono e sincrono in base alle prestazioni dinamiche possono essere divisi in due categorie, ovvero: azionamenti a bassa dinamica ed azionamenti ad alta dinamica. I sistemi di controllo della velocità negli azionamenti a bassa dinamica possono essere sia del tipo ad anello aperto che del tipo ad anello chiuso. Negli azionamenti con motore asincrono e sincrono ad alta dinamica è largamente utilizzato il principio del controllo ad orientamento di campo. In entrambi i casi di azionamenti a bassa e ad alta dinamica è in pratica difficoltoso determinare direttamente l'andamento nel tempo del flusso al traferro, e ciò pone limitazioni al funzionamento a frequenza di alimentazione bassa o nulla.

La tecnica di controllo V/f costante può consentire la regolazione soltanto in un intervallo limitato della velocità, durante il quale il flusso viene mantenuto costante al suo valore nominale e dopo il quale le alte velocità possono essere raggiunte soltanto con una riduzione del flusso.

La tecnica di controllo a campo orientato è generalmente usata per controllare efficacemente la coppia elettromagnetica del motore elettrico in tutto l'intervallo di velocità da zero alle velocità massime. Essa presuppone, nel suo approccio convenzionale, due anelli indipendenti di controllo del flusso e della coppia elettromagnetica. Mantenendo costante l'ampiezza del flusso del rotore, di norma al suo valore nominale, si ottengono le migliori prestazioni dinamiche ma si suppone che le perdite di potenza, nell'azionamento, siano trascurabili. Il risultato è che, come nel caso della tecnica V/f costante, anche nei metodi di controllo a campo orientato convenzionali, il rendimento dell'azionamento non è considerato una priorità assoluta, ma è subordinato alle prestazioni dinamiche.

L'adozione di strategie di ottimizzazione energetica in cui i valori di flusso della macchina elettrica, al variare del carico e della velocità, sono scelti in modo da minimizzare le perdite (flusso ottimo), rende possibile il miglioramento dell'efficienza dell'azionamento, anche se a scapito delle caratteristiche dinamiche; il che può non essere un problema in un gran numero di applicazioni presenti sul mercato. Ad esempio, per un motore asincrono, normalmente le strategie di ottimizzazione energetica operano facendo riferimento ad un modello semplificato delle perdite della macchina, e calcolando, per ogni punto di lavoro caratterizzato da valori di coppia e velocità fissi, le perdite totali in funzione del flusso come la somma principalmente di perdite nel circuito ferromagnetico (perdite nel ferro) e perdite per effetto joule (perdite nel rame). Le perdite totali così calcolate presentano sempre un punto di minimo, ottenuto in corrispondenza ad un valore del flusso denominato flusso ottimo.

Tra i metodi di ottimizzazione energetica esistenti, tutti basati sulla regolazione diretta o indiretta dell'ampiezza del flusso, possiamo distinguere:

Metodi di ottimizzazione on-line, in cui si determina il punto di lavoro ottimale in base a misure di potenza in ingresso e in uscita. Questo è l'approccio che porta ai risultati migliori, ma che generalmente richiede una grande quantità di calcoli per identificare il valore di flusso ottimo e i parametri del motore, oppure ha bisogno di sensori

aggiuntivi.

Metodi di ottimizzazione off-line, in cui la legge di ottimizzazione è definita a priori secondo il modello della macchina, con lo svantaggio principale di essere sensibile alle variazioni dei parametri della macchina.

Tra le strategie di ottimizzazione energetica, la strategia Maximum Torque per Ampere (MTPA) merita un'attenzione particolare per la sua semplicità ed efficacia. Essa impone, in un azionamento controllato vettorialmente, la relazione id.=f{iq.}che massimizza la coppia elettromagnetica rispetto all'ampiezza della corrente di statore I., di cui id.e iq. sono le componenti in un sistema di riferimento qdO solidale con il flusso di rotore. Nel caso di una macchina asincrona trifase, la strategia MTPA controlla la macchina mantenendo uno scorrimento costante ottimo, ottenuto

controllando separatamente le due componenti id.e iq.. Infatti, sotto l'ipotesi di campo orientato, la coppia elettromagnetica e la pulsazione di scorrimento possono essere espresse come:

dove si indica con p il numero di coppie polari, con Lm l'induttanza di magnetizzazione, con Lr l'induttanza di rotore e con Trla costante di tempo rotorica.

Inoltre è: lo scorrimento, O)e la pulsazione di

alimentazione, O)r la pulsazione del rotore e O)se=0)e-O)r la pulsazione di scorrimento.

È chiaro che per corrente di statore Is costante data dall'espressione seguente:

il massimo del prodotto, che compare nell'espressione della coppia elettromagnetica, per corrente minima si ottiene per

iqs=ids=I).J2,che in pratica si traduce in:

Pertanto, per applicare la strategia MTPA nella macchina asincrona, l'algoritmo di controllo impone uno scorrimento costante pari all'inverso della costante di tempo rotorica. È evidente che, poiché la macchina elettrica non opera a flusso costante, anche nella strategia MTPA avviene un'ottimizzazione energetica, ottenuta a spese della risposta dinamica, come nel caso delle altre tecniche di ottimizzazione prima descritte.

Nel caso di macchine sincrone la strategia MTPA calcola il profilo ottimo di corrente i~ in grado di massimizzare la coppia elettromagnetica al variare di iqS' cioè del carico meccanico. Nelle macchine sincrone a riluttanza vale la stessa

relazione delle macchine asincrone, cioè ids=Iiq~ . Nelle macchine a magneti permanenti interni, che sfruttano sia la coppia di riluttanza che la coppia dovuta al magnete, il valore di ids che garantisce il controllo MTPA dipende dal carico, per cui si definisce un "profilo" MTPA la cui espressione è la seguente:

dove ApM è il flusso del magnete e Ld' Lq sono le induttanze sincrone diretta e in quadratura della macchina.

Scopo primario della presente invenzione è quello di indicare un metodo di controllo scalare per l'ottimizzazione energetica di azionamenti con motori asincroni e sincroni.

Altro scopo della presente invenzione è quello di indicare un sistema di misura, basato sul precedente metodo, da impiegare nella realizzazione di sistemi di controllo del flusso in azionamenti elettrici con motori asincroni e sincroni a bassa ed alta dinamica.

Altro scopo della presente invenzione è quello di indicare alcuni schemi di controllo per l'ottimizzazione energetica di azionamenti elettrici con motori asincroni e sincroni che utilizzano il detto sistema di misura, ed in grado di operare correttamente in un ampio intervallo di velocità, indipendentemente dalle condizioni di carico.

Questi scopi, secondo la presente invenzione, vengono raggiunti indicando un metodo per il controllo dell' ampiezza del flusso in azionamenti elettrici con motori asincroni e sincroni, secondo la rivendicazione l, un sistema di misura basato su detto metodo, secondo la rivendicazione 2, ed alcuni schemi di controllo per azionamenti elettrici a bassa ed alta dinamica che utilizzano il precedente sistema di misura, secondo la rivendicazione 3, alle quali rivendicazioni si rimanda per brevità.

In modo vantaggioso, la tecnica proposta si basa sulla scoperta che, in entrambi i casi di macchina asincrona e sincrona, lo sfasamento <p tra tensione e corrente di statore fornisce l'informazione utile a controllare il motore nelle condizioni energetiche ottimizzate di Maximum Torque Per Ampere (MTPA). Nel caso della macchina asincrona l'informazione riguarda il valore di scorrimento ottimo, nel caso della macchina sincrona essa riguarda il profilo ottimo di MTPA, assicurando in entrambi i casi il funzionamento con i valori ottimali delle componenti di corrente ids e iqs che producono rispettivamente il flusso e la coppia della macchina.

rl controllo dell'angolo di sfasamento ~ al valore ottimo corrisponde ad una condizione necessaria e sufficiente per imporre il controllo MTPA, così permettendo di ottenere con un controllo scalare, e dunque impiegando limitate risorse strumentali e di calcolo, condizioni operative ottimizzate dal punto di vista energetico, che le altre tecniche di controllo degli azionamenti con motori in alternata generalmente ottengono in modo più complesso e dispendioso.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi derivanti dall'utilizzo di un sistema di controllo dell'ampiezza del flusso realizzato secondo l'invenzione, nel controllo di azionamenti con motori in corrente alternata, risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, relativa a due esempi di realizzazione preferiti ed esemplificativi, ma non limitativi, riferiti ai disegni schematici allegati, in cui:

la figura 1 mostra un diagramma cartesiano in cui è riportato l'andamento, rilevato sperimentalmente su motori asincroni da O,7kW, della fase dell'impedenza di un motore asincrono in funzione della pulsazione di alimentazione;

la figura 2 è relativa ad uno schema a blocchi di un sistema di controllo scalare per azionamenti elettrici con motore asincrono, secondo la presente invenzione;

la figura 3 è relativa ad uno schema a blocchi di un sistema di controllo scalare per azionamenti elettrici con motore sincrono a magneti permanenti interni, secondo la presente invenzione;

la figura 4 mostra un diagramma cartesiano in cui è riportato l'andamento, rilevato sperimentalmente su motori sincroni a magneti permanenti interni da 3,7kW, del rapporto tra l'angolo di carico e l'angolo di corrente di un motore a magneti permanenti interni in funzione dell'angolo di corrente.

Nel caso della macchina asincrona, l'osservazione che sta alla base della presente invenzione può essere spiegata nel seguente modo. In condizioni di controllo MTPA lo scorrimento, calcolato tramite la (4), risulta costante ed uguale a:

In queste condizioni è possibile ricavare l'impedenza complessiva della macchina in maniera semplice e calcolarne la fase attraverso la seguente espressione:

E' facile provare sperimentalmente (Fig.1) che, a media e alta velocità, la fase di Z può essere approssimata con una costante, data dal rapporto tra K1 e K2, o, in un ampio intervallo di velocità, con due linee rette. In ogni caso, esiste un valore "ottimo" e pressoché costante dello sfasamento tra tensione e corrente di fase dello statore, che assicura il controllo MTPA nelle diverse condizioni di carico, per ogni data velocità di rotazione. Con riferimento alla figura 2, ove è rappresentato un diagramma a blocchi dello schema di controllo per azionamenti con motore asincrono secondo la presente invenzione, accanto al controllo standard V/f costante (Modo O) , è presente il controllo dello sfasamento tra tensione e corrente (Modo 1). Tale sfasamento 'm~viene misurato nel blocco Al e poi utilizzato nel blocco A2 per calcolare il valore di tensione Vcorrche serve a ricavare l'ampiezza<Vmax>della tensione di statore. Il controllo Modo 1 viene applicato ogni volta che non è necessario alimentare il motore al flusso nominale. Le due modalità di controllo sono selezionate monitorando il rapporto V/f e misurando lo sfasamento<<prnis>tra una tensione di fase e la corrente di fase corrispondente. La commutazione tra il Modo o e il Modo 1 avviene quando il rapporto V/f supera il valore nominale Vnom/00nom<.>Al contrario, la transizione tra Modo 1 e Modo O viene

effettuata quando<<prnis>è superiore a una soglia prefissata.

Nel caso di macchina sincrona a magneti permanenti il profilo MTPA può essere espresso attraverso la nota relazione:

Calcolando dal modello della macchina una relazione tra l'angolo di carico Ò e l'angolo di corrente W, come indicato in (9),

e sostituendo il termine Va. espresso in funzione dell'ampiezza della corrente di statore e dei parametri del motore:

possiamo ottenere:

Introducendo la condizione MTPA in (11) è possibile ridurre al minimo l'ampiezza della corrente di statore per ogni condizione di carico. Utilizzando la (11) e la (8), è possibile trovare una relazione diretta tra i due angoli ò and 0/in condizione di MTPA:

Infine da (8) and (12) può essere calcolato lo sfasamento ~MTPA ottimo tra tensione e corrente di statore:

Anche per la macchina sincrona, controllando l'angolo di sfasamento tra corrente e tensione di statore al valore ottimo si soddisfa la condizione necessaria e sufficiente per imporre il controllo MTPA, in tal modo minimizzando la corrente ed il flusso per un dato carico.

In Fig.3 è mostrato un diagramma a blocchi del controllo

scalare di un motore sincrono a magneti permanenti secondo la presente invenzione (Modo 1). La misura della fase ~ tra la

tensione e la corrente dello statore è ottenuta nel blocco B1 sfruttando un algoritmo PLL per la stima dells fase della

corrente, mentre il riferimento ~MTPA è ottenuto nel blocco B2, sfruttando la (8) e una adeguata approssimazione di (12). Infatti, anche in questo caso, il calcolo di ~MTPA a diverse velocità è possibile mediante un'approssimazione polinomiale, senza pregiudicare l'efficienza energetica del sistema. In Fig.4 è analizzato sperimentalmente il rapporto ò/w di un motore a magneti permanenti interni in funzione dell'angolo di corrente ed al variare del carico. Si può osservare, in maniera più precisa nel particolare evidenziato all'interno della figura, che tale rapporto è limitato ad una zona di variazione molto ristretta quando la macchina è controllata in condizioni di MTPA. In pratica è possibile approssimare con una retta la relazione tra i due angoli:

Nel blocco B3 di Fig.3 è indicato anche il controllo V/f costante (Modo O) e il sommatore che genera l'ampiezza della tensione di riferimento usata per controllare il motore secondo l'invenzione proposta.

La misura dell'angolo di sfasamento tra tensione e corrente di statore nelle macchine asincrone e sincrone, il calcolo degli angoli di carico e di corrente nella macchina sincrona, la rilevazione dei valori che consentono il passaggio dal Modo O di controllo al Modo 1 e viceversa, possono essere realizzati mediante vari schemi a basso costo, tra cui quelli di figura 2 e figura 3, che rappresentano forme di realizzazione esemplificativa, ma non limitativa del sistema secondo l'invenzione.

Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche del sistema e del metodo di controllo per l'ottimizzazione energetica di azionamenti elettrici con motori in corrente alternata, che sono oggetto della presente invenzione, così come chiari ne risultano i vantaggi.

E' evidente, inoltre, che numerose varianti possono essere apportate al sistema di controllo, secondo la presente invenzione, senza per questo uscire dai princìpi di novità ìnsiti nell'idea inventiva, così come è chiaro che, nella pratica attuazione dell'invenzione, i materiali, le forme e le dimensioni dei dettagli illustrati potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze e gli stessi potranno essere sostituiti con altri tecnicamente equivalenti.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI dell' invenzione avente per Titolo: IlSistema e metodo di controllo per l'ottimizzazione energetica di azionamenti con motori in corrente alternata", 1. Sistema di controllo per azionamenti elettrici con motori in corrente alternata, caratterizzato dal fatto di impiegare lo sfasamento tra la tensione e la corrente di statore per assicurare il funzionamento in Massima Coppia per Corrente (Maximum Torque Per Ampere) .
2. 2. Metodo di controllo scalare implementabile su un sistema come alla rivendicazione l, caratterizzato dal fatto di comprendere la misura dell'angolo di sfasamento presa tra il riferimento della tensione di statore e la corrente di statore. Tale angolo può essere misurato in molti modi, tra cui si indica a titolo di esempi di realizzazione preferiti ed esemplificativi, ma non limitativi, il metodo basato sulla misura temporale tra i passaggi per lo zero dei riferimenti delle tensioni di statore e i passaggi per lo zero delle correnti di fase di statore, ed il metodo basato sull'uso di un algoritmo del tipo Anello ad Aggancio di Fase (Phase Locked Loop) detto PLL.
3. 3. Metodo di controllo come alla rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che l'angolo di sfasamento misurato tra tensione e corrente viene confrontato con un angolo di sfasamento ottimo per ottenere una variazione dell'ampiezza della tensione di statore.
4. 4. Metodo di controllo come alla rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la variazione dell'ampiezza della tensione di statore, calcolata dal controllo dell' a.ngolo di sfasamento tra i riferimenti della tensione e la corrente, si aggiunge all'ampiezza della tensione calcolata tramite il metodo di controllo V/f costante in modo da modificare le tensioni di alimentazione del motore.
5. 5. Metodo di controllo come alle rivendicazioni 3 e 4, caratterizzato dal fatto che, nel caso di un azionamento con motore asincrono, l'angolo di sfasamento ottimo con cui viene confrontato lo sfasamento misurato è, per ogni fissata velocità, una quantità costante che assicura il funzionamento a MTPA ed è calcolata tramite i parametri della macchina.
6. 6. Metodo di controllo come alla rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che il passaggio dalla modalità di controllo V/f costante (Modo O) alla modalità di controllo per l'ottimizzazione energetica di cui alla presente invenzione (Modo 1), avviene quando il rapporto V/f supera il suo valore nominale, e viceversa la transizione dalla Modo 1 alla Modo O avviene quando l'angolo misurato è superiore ad una soglia prefissata.
7. 7. Metodo di controllo come alle rivendicazioni 3 e 4, caratterizzato dal fatto che, nel caso di un azionamento con motore sincrono, l'angolo di sfasamento ottimo con cui viene confrontato lo sfasamento misurato è calcolato, tramite i parametri della macchina, dall'angolo di carico e dall'angolo di corrente ottimi, che assicurano il funzionamento a MTPA.
8. 8. Sistema e metodo di controllo per azionamenti elettrici con motori in corrente alternata come sostanzialmente descritti ed illustrati e per gli scopi specificati.