ITMI20001318A1 - Procedimento per la regolazione semplificata, orientata al campo, di macchine asincrone. - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

La presente invenzione riguarda procedimenti per la regolazione semplificata, orientata al campo, di macchine asincrone.

La regolazione di macchine a campo rotante, orientate al campo, è di per se nota. Essa è descritta ad esempio nelle Siemens Forscungs und Entwicklungsbertichten 1972, F. Blaschke, "Das Verfanhren der Feldorientierung zur Regelung der Asynchtronmaschine", pagine 184 e seguenti, oppure nel manuale "Control of electrical Driveds", W. Leonhard, Springer Verlag, pagine 214 fino a 222. Per la regolazione orientata al campo è necessario sorvegliare in ogni istante sia l'ampiezza del vettore del flusso statorico, sia anche la sua posizione rispetto al vettore del flusso retorico. Uno dei compiti principali al riguardo è il disaccoppiamento reciproco delle correnti formanti coppia (corrente trasversale IQ) e delle correnti formanti flusso (corrente longitudinale ID). Inoltre è necessario provvedere affinché queste correnti in ogni istante siano fra di loro ortogonali in un sistema di coordinate riferito al rotore. Ciò richiede il rilevamento delle correnti statoriche del sistema trifase, della relativa trasformazione in un sistema di coordinate, rotante sincronicamente con il flusso rotorico, e nel loro confronto con i preassegnati valori prescritti per la componente formante flusso e la componente della corrente formante coppia. La sollecitazione del motore con i nuovi valori di corrente/tensione avviene dopo il calcolo e dopo la retrotrasformazione dal sistema di riferimento rotante al sistema di coordinate statoriche stazionarie. Con la regolazione orientata al flusso si ottiene una coppia costante anche sul numero di giri nominale, una migliore costanza di velocità anche in condizioni di potenza fluttuanti, e nel funzionamento a pieno carico si ottiene un elevato rendimento.

In sistemi convenzionali per la regolazione di macchine asincrone orientate al campo tuttavia il dispendio tecnico per attuare la regolazione si dimostra relativamente alto e costoso.

Un nuovo settore di impiego di regolazioni orientate al campo sono ad esempio reti di bordo di autoveicoli. Le future reti di bordo di autoveicoli presenteranno potenze elettriche in parte decisamente più alte delle odierne reti di bordo (ad esempio 4 fino a 6 kilowatt). Questo sviluppo è prevedibile specialmente quando si elettrificano gruppi secondari oggi giorno azionati meccanicamente. Tali potenze elevate non sono rappresentabili con odierni generatori a poli dentati, in quanto la trasmissione della coppia tramite la cinghia trapezoidale risulta critica per queste alte potenze. In particolare si dimostrano critici quei massimi di coppia, per i quali può verificarsi uno slittamento della cinghia trapezoidale.

A tale riguardo è opportuno impiegare macchine asincrone comandate da convertitore.

La presente invenzione si pone il compito della semplificazione di sistemi convenzionali per la regolazione di macchine asincrone orientate al campo.

Questo problema viene risolto mediante un procedimento avente le caratteristiche della rivendicazione 1.

Per mezzo del primo procedimento secondo l'invenzione è possibile una regolazione di macchine asincrone orientate al campo, con dispendio sostanzialmente minore rispetto a soluzioni di tipo convenzionale .

Per un impiego del procedimento conforme alla rivendicazione 1 si dimostra particolarmente vantaggioso il fatto che si può fare a meno di un rilevamento di corrente separato e si risparmiano quindi i costi di almeno due trasformatori di corrente.

Conformemente ad un'ulteriore sviluppo preferito del primo procedimento secondo l'invenzione, aggiuntivamente alla tensione del campo principale si calcola anche la caduta di tensione statorica sulla base di grandezze prescritte delle correnti formanti coppia.

Conformemente ad un'ulteriore sviluppo particolarmente preferito del primo procedimento secondo l'invenzione la componente UHQsoll, di tensione trasversale prescritta della tensione del campo principale viene calcolata in base alla formula

laddove mech rappresenta la pulsazione del numero di giri meccanico della macchina trifase, (U 2

pulsazione rotorica, lSQsoll la corrente trasversale prescritta, ISDsoll la corrente longitudinale prescritta, la costante di tempo rotorica flusso magnetico, <IMR>soll corrente di magnetizzazione prescritta e <R>Rot la resistenza rotorica, e la componente di tensione longitudinale prescritta <UHD>soll della tensione del campo principale viene calcolata in base alla formula UHDsoll (ISDsoll IMRsoll) <+R>Rot In base a queste formule è possibile una produzione particolarmente semplice delle grandezze di impostazione per rappresentare le correnti trasversali e longitudinali. Non è più necessario un rilevamento delle correnti effettive. Da una regolazione, realizzata con procedimenti convenzionali, si è ottenuto pertanto in certo qual modo un comando, che rispetto a procedimenti di tipo convenzionale presenta proprietà stazionarie similmente buone. La precisione del comando realizzabile con il procedimento secondo l'invenzione è tanto migliore quanto più precisamente risultano noti i singoli parametri della macchina.

Si osservi che si dimostra opportuno, per un impiego del primo procedimento secondo l'invenzione, utilizzare interruttori a semi conduttori con riflettori di corrente che rilevano autonomamente correnti di corto circuito e quindi possono autoproteggersi. Con questo accorgimenti si è resa disponibile un'efficace protezione nei confronti di eventuali sovracorrenti. I riflettori di corrente sono opportunamente integrati in interruttori a semi conduttori.

Il compito dell'invenzione viene inoltre risolto mediante un procedimento con le caratteristiche della rivendicazione 4.

Il secondo procedimento secondo l'invenzione è caratterizzato dal fatto che la pulsazione rotorica della macchina asincrona viene determinata in un modo in cui automaticamente si tiene conto di un'influenza della temperatura. Per mezzo del procedimento secondo l'invenzione è possibile determinare in modo assai semplice la pulsazione rotorica della macchina asincrona.

Infine il compito dell'invenzione viene risolto mediante un procedimento avente le caratteristiche della rivendicazione 5.

Mediante il terzo procedimento secondo l'invenzione è possibile attuare un rilevamento particolarmente economico di almeno due correnti di fase di una macchina asincrona. Utilizzando il terzo procedimento secondo l'invenzione si rende disponibile una fornitura sincrona dei valori di due correnti di fase, migliorata sostanzialmente rispetto a procedimenti convenzionali, per cui è possibile fare a meno della fornitura di due oppure più convertitori A/D.

Conformemente ad una forma di realizzazione preferita del terzo procedimento secondo l'invenzione la prima corrente di fase viene portata su due differenti canali A/D di un Controller, laddove il Controller presenta unicamente un convertitore A/D. Con quest'accorgimento è possibile un'attuazione particolarmente semplice del procedimento secondo l'invenzione.

Opportunamente l'intervallo di tempo fra il rilevamento del valore della prima corrente di fase in un primo istante ed il rilevamento del valore della seconda corrente di fase in un secondo istante presenta la stessa lunghezza dell'intervallo di tempo fra il rilevamento della seconda corrente di fase del secondo istante ed il rilevamento della prima corrente di fase nel terzo istante. A parità di intervalli di tempo è possibile una valutazione calcolatoria particolarmente semplice delle correnti di fase lette.

I procedimenti secondo l'invenzione vengono ulteriormente ora illustrati in base al disegno allegato.

In particolare:

la figura 1 mostra uno schema per rappresentare un procedimento convenzionale per produrre grandezze di impostazione per rappresentare una corrente longitudinale ed una corrente, formante coppia, di una macchina asincrona,

la figura 2 mostra uno schema a blocchi per la rappresentazione schematica del primo procedimento secondo 1'invenzione,

la figura 3 mostra uno schema per la rappresentazione schematica di un comando convenzionale di un regolatore di corrente trasversale per una regolazione di una macchina asincrona orientata al campo, e la figura 4 mostra uno schema per la rappresentazione schematica del secondo procedimento secondo 1 'invenzione.

Una regolazione convenzionale, orientata al campo, di una macchina asincrona viene rappresentata dapprima in base alla figura 1. Il nucleo di una regolazione di tale tipo è la regolazione disaccoppiata di corrente formante flusso (corrente longitudinale ID) e corrente formante coppia (corrente trasversale IQ). Corrispondenti regolatori di corrente, che non sono rappresentati in dettaglio (regolatori di corrente longitudinale rispettivamente regolatori di corrente trasversale) hanno applicata all'entrata, come usuale, la differenza delle correnti prescritte ed effettive ISQ-ef, ISQ, ISD-ref, ISD. All'uscita del regolatore si forma rispettivamente una grandezza di impostazione per la tensione longitudinale rispettivamente trasversale, per mezzo della quale è possibile regolare corrente longitudinale rispettivamente corrente trasversale.

Come rappresentato nella figura 1 a monte dei regolatori in maniera usuale viene comandata la caduta di tensione statorica UQ-Stander, UD-Stander. I regolatori sono quindi disaccoppiati e devono regolare soltanto ancora la tensione di campo principale UHQ, UHD.

Si ottengono il flusso magnetico necessario per una regolazione nonché la pulsazione retorica della macchina asincrona con l'ausilio del cosiddetto modello di flusso, di per se noto e non richiedente qui ulteriore descrizione. Sia il modello di flusso, sia anche la caduta di tensione statorica vengono calcolati in maniera usuale con le grandezze effettive di corrente longitudinale e corrente trasversale. Per rilevare le correnti effettive tuttavia sono necessari trasformatori di corrente relativamente costosi che secondo l'invenzione dovranno essere evitati.

Il primo procedimento secondo l'invenzione, con cui è possibile effettuare una regolazione di macchine asincrone, poco costosa ed orientata al campo, laddove è possibile fare a meno specialmente di trasformatori di corrente, viene ora illustrato in base alla figura 2. Conformemente a questo primo procedimento secondo l'invenzione le grandezze di impostazione USD-ref ed USQ-ref per la tensione longitudinale trasversale vengono calcolate esclusivamente sulla base di grandezze prescritte delle correnti IQ, ID. In figura 2 si riconosce che conformemente al procedimento rappresentato a monte della caduta di tensione statorica UQ-Stander, UD-Stander vengono comandate le rispettive componenti della tensione di campo principale, ossia la tensione trasversale prescritta <UH>Qsoll rispettivamente UHDsol l

Complessivamente pertanto è possibile produrre rispettivamente rappresentare le grandezze di impostazione per la tensione longitudinale e trasversale USD-ref, USQ-ref soltanto con grandezze prescritte. I procedimenti di calcolo rispettivamente formule, con cui si calcolano le componenti uHQSoll ed UHDsoll' sono stati già illustrati dettagliatamente nella introduzione della descrizione .

Il secondo procedimento secondo L'invenzione viene ora ulteriormente illustrato in base alle figure 3 e 4.

Per la regolazione disaccoppiata di corrente formante flusso (corrente longitudinale ID) e corrente formante coppia (corrente trasversale IQ) in maniera usuale nel modello di flusso già menzionato si determinano la pulsazione retoricaCO2 nonché il flusso della macchina asincrona. Per (O 2 vale:

laddove TR rappresenta la

costante di tempo rotorica, per la quale vale:

induttanza principale; RRot:

resistenza rotorica).

La resistenza rotorica RRot ® fortemente dipendente dalla temperatura rotorica. Non è possibile una misurazione di questa temperatura con poco dispendio. La temperatura statorica è misurabile in modo relativamente semplice, e tuttavia può scostarsi fortemente dalla temperatura rotorica. In procedimenti convenzionali la resistenza rotorica è stata determinata sulla base della temperatura statorica, il che è apportato a imprecisioni relativamente grandi relativamente alla pulsazione rotorica ω 2.

Con il secondo procedimento secondo l'invenzione è ora indicato un procedimento, con cui è possibile tener conto dell'influenza della temperatura sulla pulsazione retorica#^ ·

In maniera convenzionale a monte di un regolatore di corrente trasversale R viene comandata la componente trasversale della caduta di tensione sullo statore (UQ-Stander), come rappresentato in figura 3. All'uscita del regolatore R compare quindi la componente trasversale della tensione di campo principale, UHQ , che risulta conformemente alle seguenti equazioni:

in cui ωJ1 nella pulsazione statorica e Φ il flusso della macchina asincrona determinato sulla base del modello del flusso, nonché

laddove ω m ech è la PulsaziOne del numero di giri meccanico del rotore della macchina asincrona e 2 ωè la pulsazione rotorica.

Conformemente al secondo procedimento secondo l'invenzione viene ora comandata a monte del regolatore R di corrente trasversale, aggiuntivamente alla caduta di tensione statorica, la grandezza UHQ-mech = ( ωmech *Φ )· All'uscita del regolatore compare ora la grandezza UHQ- = ( ω2 * Φ). La pulsazione rotorica ω 2 è ora ottenibile mediante semplice divisione per la grandezza UHQ- ω2 per il flusso φ . In questo valore di CO 3 si è tenuto conto dell'influenza della temperatura rispettivamente della dipendenza dalla temperatura.

Per mezzo del terzo procedimento secondo l'invenzione infine è possibile un rilevamento particolarmente economico di almeno due correnti di fase di una macchina asincrona. Idealmente per la regolazione disaccoppiata di corrente formante flusso (corrente longitudinale ID) e corrente formante coppia (corrente trasversale IQ) si rilevano almeno due correnti di fase della macchina asincrona. Sulla base di queste correnti di fase mediante una conversione di coordinate e trasformazione in un sistema di coordinate, rotante con il vettore spaziale di flusso, vengono formati i valori effettivi di IQ ed ID. In un sistema di coordinate di tale tipo le grandezze IQ ed ID sono quindi grandezze uguali.

Utilizzando usuali microcontroller, da realizzare in modo il più possibile economico, per la regolazione non si dispone tuttavia soltanto ancora di un convertitore A/D. Le correnti di fase in questo caso possono essere elevate sequenzialmente, ossia temporalmente sfasate.

Tuttavia un tale sfasamento temporale porta ad una componente alternata nelle grandezze uguali IQ, ID convertite dalle correnti sinusoidali. La frequenza della componente alternata corrisponde al doppio della frequenza di oscillazione fondamentale. L'ampiezza, con sfasamento temporale costante, aumenta al crescere della frequenza dell'oscillazione fondamentale.

Sulla qualità di regolazione questa componente alternata agisce in modo assai sfavorevole. Pertanto i regolatori di corrente vengono progettati in modo da regolare le grandezze uguali, e tuttavia da dover contemporaneamente necessariamente realizzare una regolazione della componente alternata. Per ovviare a questa difficoltà è noto il fatto di impiegare sistemi con due convertitori A/D paralleli. Tuttavia questi in generale sono più costosi dei sistemi con soltanto un convertitore A/D.

Mediante il terzo procedimento secondo l'invenzione è resa disponibile una fornitura sincrona, sostanzialmente migliorata, dei valori di due correnti di fase, in cui non è necessaria la fornitura di due convertitori A/D. Utilizzando il procedimento secondo l'invenzione pertanto, rispetto a Controller presentanti i due convertitori A/D, è possibile fornire sistemi più economici.

Conformemente al terzo procedimento secondo l'invenzione si legge sequenzialmente una prima corrente di fase, quindi una seconda corrente di fase e successivamente un'altra volta la prima corrente di fase. Dai due valori per la prima corrente di fase viene successivamente formata la media aritmetica. Un accoppiamento così ottenuto della corrente media e della seconda corrente letta, rispetto a procedimenti sequenziali convenzionali è mediamente meno suscettibile di errori.

Un vantaggio sostanziale del terzo procedimento secondo l'invenzione sta nel fatto che per un regolatore di corrente per la regolazione della macchina asincrona ad orientamento di campo si dispone di valori sincroni delle necessarie correnti di fase, anche se è disponibile soltanto un convertitore A/D.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per produrre grandezze di impostazione (USD-ref, USQ-ref) per la tensione longitudinale rispettivamente trasversale per rappresentare la corrente (ID) formante flusso e la corrente (IQ) formante coppia, per la regolazione di macchine a campo rotante, ad orientamento di campo, tenendo conto della caduta di tensione statorica (UQ-Stander, UD-Stander) e della tensione di campo principale (UHQ, UHD), caratterizzato dal fatto che la tensione di campo principale (UHQ, UHD) viene calcolata sulla base di grandezze di impostazione delle correnti (IQ ed ID).
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione (1), caratterizzato dal fatto che la caduta di tensione statorica (UD-Stander, UQ-Stander) viene calcolata sulla base di grandezze prescritte nelle correnti (IQ, ID).
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione (1) oppure (2), caratterizzato dal fatto che la componente di tensione trasversale prescritta (UHQsoll) della tensione di campo principale viene calcolata in base alla formula:

   in cui ( ω mech) è la pulsazione del numero di giri meccanico della macchina trifase , ( ω 2 ) è la pulsazione rotorica , ( ISQsoll ) è la corrente trasversale prescritta , ( ISDsoll ) è la corrente longitudinale prescritta, (TRot) è la costante di tempo rotorica , ( (J> ) è il flusso magnetico , ( IMRsoll ) è la corrente di magnetizzazione prescritta e (Rrot) è la resistenza rotorica, e la componente di tensione longitudinale prescritta (UHDsoll ) della tensione di campo principale viene calcolata in base alla formula:
4. 4. Procedimento per determinare la pulsazione rotorica ( 2) di una macchina asincrona regolata orientata al flusso, caratterizzato dal fatto che a monte di un regolatore di corrente trasversale (R) per regolare la componente di corrente trasversale (ISQ) della tensione di campo principale viene comandata la caduta di tensione statorica (UQ-Stander) e la grandezza (UHQ-mech = <+>Φ ) ' laddove ( φ ) rappresenta il flusso della macchina asincrona calcolato sulla base del modello di flusso, cosicché sull'uscita del regolatore appare la grandezza (UHQ
5. 5. Procedimento per rilevare ed accoppiare almeno due correnti di fase di una macchina asincrona per attuare una regolazione orientata al campo, caratterizzato dai seguenti passi: - rilevamento del valore di una prima corrente di fase in un primo istante (t-1), - rilevamento del valore di una seconda corrente di fase in un secondo istante (t2), un primo intervallo di tempo ( Δ t1) dopo il primo istante (t1) , - rilevamento del valore della prima corrente di fase in un terzo istante (t3), un secondo intervallo di tempo ( Δ t2) dopo il secondo istante (t2) - formazione di un valore medio, specialmente della media aritmetica, dai valori della prima corrente di fase nell'istante (t1 ) e nell'istante (t3), - accoppiamento del valore medio con il valore rilevato della seconda corrente di fase.
6. 6. Procedimento secondo la rivendicazione (5), caratterizzato dal fatto che la prima corrente di fase viene portata su due differenti canali (A/D) e di un Controller presentante soltanto un convertitore (A/D).
7. 7. Procedimento secondo la rivendicazione (5) oppure (6), caratterizzato dal fatto che l'intervallo di tempo ( t1) presenta la stessa lunghezza dell'intervallo di tempo (Δt2).