ITMI941322A1 - SWITCHING TECHNIQUE FROM SINE-TO-SQUARE MODULATION FOR THREE-PHASE MOTOR SUPPLY BY INVERTER AND RELATED SWITCHING SYSTEM - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione riguarda le tecniche di commutazione della modulazione per l'alimentazione di motori trifasi, in particolare per trazione ed il relativo sistema di commutazione. The present invention relates to modulation commutation techniques for powering three-phase motors, in particular for traction, and the relative commutation system.
E' noto che lo sviluppo di interruttori elettronici di potenza, in particolare GTO (Gate Turn Off Thiristor) apre prospettive particolarmente attraenti per lo sviluppo di sistemi di trazione che fanno uso di motori asincroni trifasi, alimentati da una sorgente di tensione continua, per esempio da una batteria di accumulatori o da una linea a C.C, che viene convertita da dispositivi di conversione, specificatamente due terne di interruttori elettronici, in un sistema trifase di tensioni alternate che alimentano le fasi del motore. It is known that the development of electronic power switches, in particular GTO (Gate Turn Off Thiristor) opens particularly attractive prospects for the development of traction systems that make use of three-phase asynchronous motors, powered by a direct voltage source, for example from an accumulator battery or a DC line, which is converted by conversion devices, specifically two sets of electronic switches, into a three-phase system of alternating voltages that feed the motor phases.
Mediante tecniche di modulazione a durata di impulsi o PWM dei periodi di conduzione degli interruttori elettronici, è possibile applicare alle fasi la tensione di alimentazione in modo impulsivo con effetto equivalente a quello di tensioni alternate di cui è possibile variare ampiezza e frequenza. By means of pulse duration or PWM modulation techniques of the conduction periods of the electronic switches, it is possible to apply the power supply voltage to the phases in an impulsive manner with an effect equivalent to that of alternating voltages whose amplitude and frequency can be varied.
In questo modo è possibile soddisfare i requisiti di alimentazione di un motore asincrono trifase che, per operare correttamente, richiede una tensione a frequenza e ampiezza variabile con la velocità di rotazione desiderata. In this way it is possible to satisfy the power requirements of a three-phase asynchronous motor which, to operate correctly, requires a voltage of variable frequency and amplitude with the desired rotation speed.
Ciò allo scopo di mantenere il flusso magnetico del motore ad un valore nominale predeterminato. This is in order to maintain the magnetic flux of the motor at a predetermined nominal value.
La possibilità di modulazione in frequenza ed ampiezza è però limitata essenzialmente dalle prestazioni degli interruttori elettronici. The possibility of modulation in frequency and amplitude is however limited essentially by the performance of the electronic switches.
Questi sono sede di perdite di commutazione proporzionali alla frequenza di commutazione, alla corrente commutata ed alla tensione di commutazione. These are the site of switching losses proportional to the switching frequency, the switched current and the switching voltage.
Inoltre sono in. grado di commutare correnti fino ad un valore massimo predeterminato e sono in grado di sopportare tensioni non superiori ad un valore massimo predeterminato. Also I'm in. able to switch currents up to a predetermined maximum value and are able to withstand voltages not exceeding a predetermined maximum value.
Tutte queste limitazioni definiscono il campo di operabilità dei dispositivi interruttori. All these limitations define the operability range of the switching devices.
E' quindi desiderabile utilizzare tecniche di commutazione che consentano di alimentare, a parità di tensione continua V, le fasi del motore con tensioni alternate o variabili da un minimo fino ad un massimo anche superiore a V. It is therefore desirable to use commutation techniques that allow the motor phases to be powered, at the same direct voltage V, with alternating or variable voltages from a minimum to a maximum even higher than V.
E' nota per esempio la tecnica di modulazione a onda quadra che applica alle fasi del motore impulsi di tensione ad onda quadra di valore uguale alla tensione continua V. For example, the square wave modulation technique is known which applies to the motor phases pulses of square wave voltage having a value equal to the direct voltage V.
Questi impulsi di tensione corrispondono ad una tensione applicata con una componente armonica fondamentale di ampiezza pari a V-4/it (come si deduce facilmente dallo sviluppo in serie di Fourier dalla forma di onda quadra), cioè circa 1,3 volte la tensione V ma avente un elevato contenuto di armoniche di ordine dispari. These voltage pulses correspond to an applied voltage with a fundamental harmonic component of amplitude equal to V-4 / it (as can be easily deduced from the Fourier series development from the square wave form), i.e. about 1.3 times the voltage V but having a high content of odd order harmonics.
Se in un sistema trifase le terze armoniche risultano in fase tra loro e si neutralizzano reciprocamente, le quinte armoniche danno luogo, a basse velocità di rotazione e quindi frequenze di eccitazione, a notevoli inconvenienti e disfunzioni che risultano invece trascurabili ad alte velocità del motore e relative frequenze di eccitazione. If in a three-phase system the third harmonics are in phase with each other and mutually neutralize each other, the fifth harmonics give rise, at low rotation speeds and therefore excitation frequencies, to considerable inconveniences and malfunctions which are negligible at high motor speeds and relative excitation frequencies.
Per questa ragione a basse frequenze di eccitazione di un motore trifase si fa uso di una tecnica di modulazione a larghezza di impulsi con una modulante sinusoidale portata da una sottooscillazione e frequenza della sottooscillazione relativamente elevata (per esempio 300 Hz) in rapporto al campo di frequenze di lavoro per cui il motore è progettato (per esempio da pochi Hz ad alcune decine di Hz). For this reason, at low excitation frequencies of a three-phase motor, a pulse width modulation technique is used with a sinusoidal modulating carried by an under-oscillation and a relatively high frequency of the under-oscillation (for example 300 Hz) in relation to the frequency range. of work for which the motor is designed (for example from a few Hz to a few tens of Hz).
Questa tecnica di modulazione consente di eccitare le fasi del motore con una tensione alternata priva di armoniche (salvo quelle trascurabili alla frequenza di portante) ma il cui valore massimo è al piti uguale alla tensione continua V. This modulation technique allows the motor phases to be excited with an alternating voltage without harmonics (except for those negligible at the carrier frequency) but whose maximum value is at least equal to the direct voltage V.
E* stato quindi proposto di combinare le due tecniche di modulazione passando dalla tecnica di modulazione con modulante sinusoidale a quella con impulsi di eccitazione ad onda quadra (di ampiezza convenientemente ridotta o modulata per evitare brusche variazioni di ampiezza della tensione di eccitazione) al di sopra di una predeterminata frequenza di eccitazione. It has therefore been proposed to combine the two modulation techniques, passing from the modulation technique with sinusoidal modulation to that with square wave excitation pulses (of suitably reduced or modulated amplitude to avoid abrupt variations in the amplitude of the excitation voltage) above of a predetermined excitation frequency.
Per evitare che il cambiamento di modulazione provochi transitori di coppia e/o sovraccarichi, è necessario che le due forme d'onda, per ogni fase, abbiamo contenuto armonico fondamentale o di primo ordine di eguale ampiezza e fase. To prevent the modulation change from causing torque transients and / or overloads, it is necessary that the two waveforms, for each phase, have fundamental or first order harmonic content of equal amplitude and phase.
Ciò non è però sufficiente, in quanto il passaggio tra due forme d'onda con contenuti armonici diversi è causa di transitori di coppia e di eovracorrenti. However, this is not sufficient, as the transition between two waveforms with different harmonic contents causes torque transients and eovercurrents.
Il problema nasce dalle correnti armoniche derivanti dall'integrazione ad opera dell'induttanza di magnetizzazione del motore delle armoniche di tensione di ordine superiore al primo presenti nella forma d'onda ad impulsi a onda quadra. The problem arises from the harmonic currents deriving from the integration by the magnetization inductance of the motor of the higher order voltage harmonics present in the square wave pulse waveform.
Se nel momento del passaggio da impulsi a onda quadra a sottooscillazione sinusoidale, su una delle linee di alimentazione delle fasi è presente una corrente armonica non nulla, (come conseguenza dell'integrazione delle tensioni armoniche presenti nella forma d'onda quadra) tale corrente cessa di evolvere, mancando nella sottooscillazione sinusoidale un corrispondente contenuto armonico di tensione che possa imprimerle una evoluzione. If at the moment of the transition from square wave pulses to sinusoidal under oscillation, a non-zero harmonic current is present on one of the phase supply lines, (as a consequence of the integration of the harmonic voltages present in the square wave form) this current ceases to evolve, lacking in the sinusoidal under-oscillation a corresponding harmonic content of tension that can give it an evolution.
Il valore istantaneo della corrente armonica rimane quindi fissato nel tempo e decade lentamente per il solo effetto smorzante della resistenza statorica. The instantaneous value of the harmonic current therefore remains fixed over time and decays slowly due to the damping effect of the stator resistance alone.
Questa corrente continua, con decadimento esponenziale lento, produce una alterazione asimmetrica del flusso magnetizzante con conseguenti pulsazioni di coppia e di corrente assorbita e successivo transitorio di assestamento del flusso magnetico. This direct current, with slow exponential decay, produces an asymmetrical alteration of the magnetizing flux with consequent pulsations of torque and absorbed current and subsequent settling transient of the magnetic flux.
Analoga situazione si presenta, per il motivo opposto, nel passaggio da sottooscillazione sinusoidale ad impulsi ad onda quadra. A similar situation occurs, for the opposite reason, in the transition from sinusoidal under-oscillation to square wave pulses.
La componente armonica di corrente non può nascere istantaneamente ed ha origine con un transitorio che comporta lo sviluppo di una componente continua che decade lentamente nel tempo. The harmonic component of current cannot arise instantaneously and originates with a transient that involves the development of a continuous component that decays slowly over time.
Nella pratica si rilevano in entrambi i casi sovracorrente di notevole rilievo che arrivano a provocare l'intervento di protezioni di sovracorrente, determinando l'interruzione del funzionamento. In practice, in both cases there are significant overcurrents which can cause the intervention of overcurrent protections, causing the interruption of operation.
In assenza di queste protezioni le sovracorrenti porterebbero al guasto distruttivo degli interruttori elettronici. In the absence of these protections, the overcurrents would lead to the destructive failure of the electronic switches.
Per evitare questo grave inconveniente sono state proposte varie soluzioni che risultano inadeguate. To avoid this serious drawback, various solutions have been proposed which are inadequate.
Una tecnica nota consiste nell'effettuare il passaggio di modulazione in un momento opportunamente scelto nell'ambito del periodo in cui le correnti armoniche siano minime. A known technique consists in carrying out the modulation passage at a moment suitably chosen within the period in which the harmonic currents are minimal.
Poiché le correnti armoniche nelle fasi non sono mai simultaneamente nulle, gli effetti indesiderati sono attenuati ma non evitati. Since the harmonic currents in the phases are never simultaneously zero, the undesirable effects are attenuated but not avoided.
Come conseguenza occorre dimensionare il sistema di controllo in modo che possa tollerare queste sovracorrenti con evidenti maggiori costi oppure fare in modo che la potenza assorbita dal motore durante il passaggio di modulazione venga temporaneamente ridotta, con conseguente riduzione della corrente assorbita e delle sue armoniche. As a consequence, it is necessary to size the control system so that it can tolerate these overcurrents with evident higher costs or make sure that the power absorbed by the motor during the modulation passage is temporarily reduced, with consequent reduction of the absorbed current and its harmonics.
Questo si ottiene annullando lo scorrimento del motore ma ha come conseguenza un temporaneo annullamento o quanto meno una caduta della coppia motrice che in molte applicazioni, comprese quelle veicolari, è inaccettabile. This is achieved by canceling the sliding of the motor but results in a temporary cancellation or at least a fall in the driving torque which in many applications, including vehicular ones, is unacceptable.
Una seconda tecnica nota consiste nell'effettuare il passaggio di modulazione in modo graduale, attraverso forme d'onda intermedie, con modalità di commutazione simili a quelle della sottooscillazione con modulazione sinusoidale. A second known technique consists in carrying out the modulation passage in a gradual way, through intermediate waveforms, with switching modes similar to those of the sinusoidal modulation under-oscillation.
Ciò comporta la necessità di usare frequenze di commutazione molto alte, dell'ordine di 1 KHz o più, con rilevanti perdite di commutazione richiedenti comunque un sovradimensionamento dei circuiti di potenza. This entails the need to use very high switching frequencies, of the order of 1 KHz or more, with significant switching losses requiring in any case an oversizing of the power circuits.
Questi inconvenienti sono eliminati dal metodo di passaggio da modulazione sinusoidale a quadra e relativo sistema oggetto della presente invenzione. These drawbacks are eliminated by the method of passing from sinusoidal to square modulation and related system object of the present invention.
Il metodo consiste nell'eseguire il passaggio in modo non graduale ed improvviso ad un istante in cui la modulazione sinusoidale di una linea (fase) ha valore nullo e nell'applicare alla stessa fase un primo impulso di tensione a onda quadra ridotto in area rapportata all'impulso di tensione sinusoidale applicato nel semiperiodo precedente, preso eguale a 1, della quantità The method consists in carrying out the transition in a non-gradual and sudden way to an instant in which the sinusoidal modulation of a line (phase) has zero value and in applying to the same phase a first square wave voltage pulse reduced in the related area to the sinusoidal voltage pulse applied in the previous half-period, taken equal to 1, of the quantity
proporzionale quindi alla ampiezza ed al periodo della tensione sinusoidale precedentemente applicata, mentre alle altre due fasi è applicato un impulso pieno con contenuto armonico fondamentale eguale in area all'impulso sinusoidale applicato nel semiperiodo precedente. therefore proportional to the amplitude and to the period of the sinusoidal voltage previously applied, while a full pulse with fundamental harmonic content equal in area to the sinusoidal pulse applied in the previous half-period is applied to the other two phases.
Similmente nel passaggio da modulazione con impulsi a onda quadra alla modulazione sinusoidale, l'ultimo impulso di tensione a onda quadra applicato ad una fase viene ridotto in area proporzionalmente alla ampiezza ed al periodo della tensione sinusoidale che sarà successivamente applicata alla stessa fase. Similarly in the transition from modulation with square wave pulses to sinusoidal modulation, the last square wave voltage pulse applied to a phase is reduced in area proportionally to the amplitude and period of the sinusoidal voltage that will subsequently be applied to the same phase.
Poiché l'impulso di tensione applicato è per definizione l'integrale della tensione nel tempo, questa limitazione può essere ottenuta, a tensione di alimentazione costante, interrompendo temporaneamente l'alimentazione di linea per un tempo opportuno (che in funzione del periodo di modulazione può essere espresso in angolo di rotazione di campo corrispondente). Since the voltage pulse applied is by definition the integral of the voltage over time, this limitation can be obtained, at constant supply voltage, by temporarily interrupting the line supply for an appropriate time (which depending on the modulation period can be expressed in the corresponding field rotation angle).
Secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione e più vantaggiosamente ancora, la limitazione del primo impulso di tensione a onda quadra applicato alla linea è ottenuto con una temporanea inversione di polarità dell'impulso di tensione applicato, l'inversione avendo durata predeterminata rapportata al periodo ed alla ampiezza della modulazione sinusoidale. According to a further aspect of the present invention and more advantageously still, the limitation of the first square wave voltage pulse applied to the line is obtained with a temporary polarity inversion of the applied voltage pulse, the inversion having a predetermined duration related to the period and to the amplitude of the sinusoidal modulation.
In ambedue i modi il "buco" di tensione o l'inversione temporanea della tensione di linea inducono nella linea delle componenti armoniche di corrente che neutralizzano in buona misura le componenti armoniche sviluppate dalla modulazione a onda quadra e compensano completamente, annullandole, le componenti continue provocate dal passaggio da un modo di modulazione all'altro. In both ways, the voltage "dip" or the temporary inversion of the line voltage induce harmonic current components in the line that largely neutralize the harmonic components developed by the square wave modulation and completely compensate, canceling them, the continuous components caused by switching from one modulation mode to another.
Nel passaggio da modulazione a onda quadra a modulazione sinusoidale di tensione, la limitazione di impulso è effettuata sull'ultimo impulso a onda quadra applicato ad una linea. In the transition from square wave modulation to sine voltage modulation, the pulse limitation is performed on the last square wave pulse applied to a line.
Secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione, la limitazione dell'impulso di tensione è ottenuta con buco di tensione o inversione di tensione temporalmente contiguo all'istante di passaggio da un modo all'altro di modulazione, così da ridurre al minimo l'entità delle inevitabili, ancorché piccole, sovracorrenti causate dalle componenti armoniche e la loro durata nel tempo. According to a further aspect of the present invention, the limitation of the voltage pulse is obtained with a voltage dip or voltage inversion temporally contiguous to the instant of passage from one modulation mode to another, so as to minimize the magnitude of the unavoidable, albeit small, overcurrents caused by harmonic components and their duration over time.
Questa tecnica di passaggio da una modalità di modulazione all'altra è messa in atto da un sistema comprendente mezzi per fornire una indicazione della posizione e velocità angolare del campo magnetico rotante e mezzi per associare a questa posizione dei segnali di modulazione, rispettivazione sinusoidale e ad onda quadra (che determinano detta posizione di campo) di ciascuna delle linee di alimentazione del motore nonché mezzi temporizzati di selezione di detti segnali di modulazione e di correzione di un impulso ad onda quadra in funzione della velocità di rotazione del motore rispetto ad un valore prefissato. This technique of passing from one modulation mode to another is implemented by a system comprising means for providing an indication of the position and angular velocity of the rotating magnetic field and means for associating to this position the modulation signals, sinusoidal respective activation and square wave (which determine said field position) of each of the motor supply lines as well as timed means for selecting said modulation and correction signals of a square wave pulse as a function of the rotation speed of the motor with respect to a predetermined value .
Le caratteristiche ed i vantaggi dell'invenzione risulteranno più chiari dalla descrizione che segue fatta con riferimento ai disegni allegati in cui: The characteristics and advantages of the invention will become clearer from the following description made with reference to the attached drawings in which:
- la figura 1 rappresenta in diagramma temporale la tecnica di modulazione a durata di impulsi per la modulazione di una tensione continua secondo una legge sinusoidale, in un sistema monofase; Figure 1 represents in a time diagram the pulse duration modulation technique for modulating a direct voltage according to a sinusoidal law, in a single-phase system;
- la figura 2 rappresenta in diagramma temporale il passaggio da una modulazione sinusoidale ad una modulazione ad onda quadra in un sistema monofase; Figure 2 represents in a time diagram the passage from a sinusoidal modulation to a square wave modulation in a single-phase system;
- la figura 3 rappresenta in diagramma temporale una tecnica nota di modulazione apparente di ampiezza di impulsi ad onda quadra; Figure 3 represents in a time diagram a known technique of apparent modulation of the amplitude of square wave pulses;
- la figura 4 rappresenta in diagramma temporale la corrente che si sviluppa nel passaggio da una modulazione sinusoidale ad una modulazione d'onda quadra in un sistema monofase; - figure 4 represents in a time diagram the current that develops in the passage from a sinusoidal modulation to a square wave modulation in a single-phase system;
- la figura 5 rappresenta in diagramma temporale un metodo di passaggio di modulazione in accordo con la presente invenzione; figure 5 represents in a time diagram a modulation passage method according to the present invention;
- la figura 6 rappresenta in diagramma temporale una variante del metodo di passaggio di figura 5; figure 6 represents in a time diagram a variant of the passage method of figure 5;
- la figura 7 rappresenta in diagramma temporale le componenti armoniche di corrente che si sviluppano in un sistema trifase, nel passaggio da modulazione sinusoidale a modulazione d'onda quadra nei due casi di passaggio con metodo convenzionale e con il metodo oggetto della presente invenzione; Figure 7 represents in a time diagram the harmonic components of current which develop in a three-phase system, in the passage from sinusoidal modulation to square wave modulation in the two cases of passage with the conventional method and with the method object of the present invention;
- la figura 8 rappresenta in schema a blocchi una realizzazione preferita di apparato per la messa in atto del metodo oggetto della presente invenzione. - figure 8 represents in block diagram a preferred embodiment of apparatus for the implementation of the method object of the present invention.
Per una più agevole comprensione dell'invenzione si considera anzitutto un sistema di alimentazione monofase ad inverter per estendere poi le considerazioni svolte ad un sistema trifase. For an easier understanding of the invention, first of all a single-phase inverter power supply system is considered to then extend the considerations made to a three-phase system.
La figura 1 rappresenta in diagramma temporale come in modo noto viene ottenuta per modulazione a durata di impulsi PWM da una tensione continua VP una tensione apparente sinusoidale di alimentazione di un carico induttivo. Figure 1 represents in a time diagram how in a known way an apparent sinusoidal voltage supplying an inductive load is obtained by modulation with PWM pulse duration from a direct voltage VP.
Utilizzando il segnale periodico di sottooscillazione con periodo PS, molto inferiore al periodo P della tensione apparente sinusoidale desiderata, si applicano periodicamente al carico induttivo, attraverso un ponte di interruttori, ciascuno con diodi di ricircolo, degli impulsi di tensione 1,2, 3, 4, 5, 6 tutti di uguale ampiezza VP eguale alla tensione di alimentazione, ma di durata variabile con legge sinusoidale di periodo P e semiperiodo P/2. Using the periodic under-oscillation signal with period PS, much lower than the period P of the desired sinusoidal apparent voltage, periodically applied to the inductive load, through a bridge of switches, each with free-wheeling diodes, voltage pulses 1,2, 3, 4, 5, 6 all of equal amplitude VP equal to the supply voltage, but of variable duration with sinusoidal law of period P and half-period P / 2.
Il carico induttivo risponde agli impulsi di tensione secondo la ben nota legge di integrazione The inductive load responds to voltage pulses according to the well-known integration law
Gli impul si di tensione integrati hanno lo stesso effetto di una tensione alternata di periodo P ed ampiezza variabile, secondo la profondità di modulazione sinusoidale, da 0 a VP. The integrated voltage pulses have the same effect as an alternating voltage of period P and variable amplitude, according to the sinusoidal modulation depth, from 0 to VP.
Il diagramma tratteggiato 7 rappresenta una semionda di tensione sinusoidale apparente con ampiezza massima ottenibile VP e il diagramma 8, una semionda di tensione sinusoidale apparente con una ampiezza intermedia tra 0 e VP. The dashed diagram 7 represents a half wave of apparent sinusoidal voltage with maximum obtainable amplitude VP and diagram 8, a half wave of apparent sinusoidal voltage with an amplitude intermediate between 0 and VP.
E* chiaro che la modulazione sinusoidale di tensione può essere ottenuta anche in modi diversi dalla modulazione di durata di impulsi a periodo costante. It is clear that sinusoidal voltage modulation can also be achieved in ways other than constant period pulse width modulation.
Per esempio si può ottenere per modulazione di frequenza con durata di impulsi costante o combinando i due modi di modulazione. For example, it can be obtained by frequency modulation with constant pulse duration or by combining the two modulation modes.
Qualunque sia la tecnica di modulazione usata è chiaro che risulta tanto più precisa ed efficace nello sviluppare una tensione alternata, con contenuto di armoniche minimo a frequenza elevata, quanto più elevata è la frequenza di sottooscillazione rispetto alla frequenza di modulazione. Whatever the modulation technique used, it is clear that the higher is the under-oscillation frequency with respect to the modulation frequency, the more precise and effective it is in developing an alternating voltage, with minimum harmonic content at high frequency.
Vi è tuttavia un limite pratico nella scelta della frequenza di sottooscillazione, perchè ogni impulso di tensione applicato comporta una doppia commutazione di interruttori da aperto a chiuso, da chiuso ad aperto. There is, however, a practical limit in the choice of the under-oscillation frequency, because each voltage pulse applied involves a double commutation of the switches from open to closed, from closed to open.
Ogni commutazione è causa di perdite elettriche e quindi di riscaldamento dei dispositivi interruttori. Each switching causes electrical losses and therefore heating of the switching devices.
Pertanto, superato un certo valore di frequenza di modulazione, la modulazione a durata di impulsi non è più fattibile o conveniente e deve essere sostituita con una tecnica di modulazione diversa. Therefore, once a certain modulation frequency value is exceeded, pulse width modulation is no longer feasible or convenient and must be replaced with a different modulation technique.
Ciò è anche imposto dall'esigenza di disporre di una tensione alternata apparente con maggiore ampiezza. This is also dictated by the need to have an apparent alternating voltage with greater amplitude.
La tecnica di modulazione comunemente adottata è quella ad onda quadra o più precisamente ad impulsi equidurata. The commonly adopted modulation technique is the square wave one or more precisely with equidurated pulses.
Con riferimento alla figura 2 è rappresentata una semionda di tensione sinusoidale 9 con ampiezza VP e periodo PC corrispondente alla frequenza per cui si impone un passaggio di modulazione da sinusoidale a onda quadra. With reference to Figure 2, a half wave of sinusoidal voltage 9 is represented with amplitude VP and period PC corresponding to the frequency for which a modulation shift from sinusoidal to square wave is required.
Ciò significa che alla sinusoide di tensione 9 deve seguire, a partire da un qualche istante, una onda quadra con lo stesso periodo e lo stesso contenuto armonico fondamentale. This means that the voltage sinusoid 9 must be followed by a square wave with the same period and the same fundamental harmonic content starting from some instant.
In figura 2 l'istante di transizione da una modulazione all’altra è scelto, arbitrariamente, alla fine del semiperiodo della semionda 9. In figure 2 the instant of transition from one modulation to the other is chosen, arbitrarily, at the end of the half-period of the half-wave 9.
Il rettangolo 10 rappresenta una semionda 4 di tensione che si sostituisce alla semionda 11 nell'alimentazione del carico. The rectangle 10 represents a voltage half-wave 4 which replaces the half-wave 11 in the power supply of the load.
Perchè le due semionde abbiano lo stesso contenuto armonico fondamentale, occorre come è noto che la semionda 10 abbia ampiezza pari a VP-n/4. For the two half-waves to have the same fundamental harmonic content, it is well known that the half-wave 10 has an amplitude equal to VP-n / 4.
Per ottenere questa ampiezza da una tensione di alimentazione VP, una tecnica nota di particolare efficacia nel caso di sistemi trifasi, è quella di sostituire l'onda quadra 10 con una terna di onde quadre successive, tutte dello stesso segno 12,13,14 ed egual durata corrispondente a π/3 (e perciò dette impulsi equidurata) del periodo espresso come 2π, gli impulsi esterni 12,14 avendo ampiezza VP, l'impulso intermedio avendo ampiezza media pari a VP (π/2-l). To obtain this amplitude from a supply voltage VP, a known technique of particular efficacy in the case of three-phase systems is to replace the square wave 10 with a set of three successive square waves, all of the same sign 12,13,14 and equal duration corresponding to π / 3 (and therefore called equidurated pulses) of the period expressed as 2π, the external pulses 12,14 having an amplitude VP, the intermediate pulse having an average amplitude equal to VP (π / 2-l).
Come mostrato in figura 3, l'impulso intermedio è ottenuto con una modulazione di durata dello stesso a frequenza uguale o inferiore a 1/PS introducendo cioè dei buchi di tensione 15,16 (uno o più) nella parte centrale dell'onda quadra 10. As shown in figure 3, the intermediate pulse is obtained with a modulation of its duration at a frequency equal to or less than 1 / PS, i.e. introducing voltage dips 15,16 (one or more) in the central part of the square wave 10 .
La figura 4 mostra gli effetti del cambiamento di modalità di modulazione quando il cambiamento viene effettuato nel corso del passaggio per lo 0 della tensione modulata sinusoidale. Figure 4 shows the effects of modulation mode change when the change is made during the passage through 0 of the sinusoidal modulated voltage.
Finché la tensione applicata al carico, per semplicità considerato puramente induttivo, evolve con legge sinusoidale (semiperiodo 17) V = VP sen ω t con ω = 2π /PC, la corrente I evolve con la stessa legge sinusoidale in ritardo di 90' (π/2) rispetto alla tensione ed all'istante tO ha un valore di picco ] IO j = VP/ ω L dove L è l'induttanza del carico. As long as the voltage applied to the load, for simplicity considered purely inductive, evolves with a sinusoidal law (half-period 17) V = VP sin ω t with ω = 2π / PC, the current I evolves with the same sinusoidal law with a delay of 90 '(π / 2) with respect to the voltage and at the instant tO it has a peak value] 10 j = VP / ω L where L is the inductance of the load.
Per convenienza e semplicità di descrizione la pulsazione ω, la tensione VP e l'induttanza L possono essere considerate come aventi valore unitario, per cui IO ha valore unitario di riferimento. For convenience and simplicity of description, the pulsation ω, the voltage VP and the inductance L can be considered as having a unitary value, so that IO has a unitary reference value.
A partire dall'istante tO e per tutto il semiperiodo seguente 18, di durata eguale al semiperiodo 17, la tensione applicata al carico è mediamente VP*π /4 = n/4. Starting from the instant tO and throughout the following half-period 18, having a duration equal to the half-period 17, the voltage applied to the load is on average VP * π / 4 = n / 4.
Pertanto la corrente evolve secondo la legge lineare L*di/dt=VP ·π/4 ovvero di/dt = ΤΪ/4 con una variazione nel Therefore the current evolves according to the linear law L * di / dt = VP π / 4 or di / dt = ΤΪ / 4 with a variation in the
semiperiodo pari a half-period equal to
ovvero, esprimendo il tempo in funzione della pulsazione ω assunta come unitaria Ai = π/4·π = π /4. that is, by expressing time as a function of the pulsation ω assumed as unitary Ai = π / 4 · π = π / 4.
4 4
All'istante tl la corrente assume valore t1=Δl-I0=it /- -1 pari a circa 1,5 volte la corrente massima IO commutata in regime sinusoidale con un sovraccarico rilevante degli interruttori. At instant tl the current takes on a value t1 = Δl-I0 = it / - -1 equal to approximately 1.5 times the maximum current IO switched in sinusoidal regime with a significant overload of the circuit-breakers.
Nel corso del successivo semiperiodo la corrente si inverte assumendo un valore minimo di picco pari a TU' /4-1-Δΐ=-1. During the next half-period the current is inverted assuming a minimum peak value equal to TU '/ 4-1-Δΐ = -1.
E' quindi evidente che si instaura una corrente con una componente continua DCC pari a 11V8-I * 0,25 che si mantiene indefinitamente (salvo in pratica un lento decadimento esponenziale dovuto alla componente resistiva del carico) e che comporta oltre a sovracorrenti, effetti dannosi sul carico. It is therefore evident that a current is established with a DCC component equal to 11V8-I * 0.25 which is maintained indefinitely (except in practice a slow exponential decay due to the resistive component of the load) and which involves, in addition to overcurrents, effects harmful on the load.
Lo squilibrio dì corrente è essenzialmente dovuto al fatto che l'impulso di tensione 1 applicato nel corso del semiperiodo 17 è diverso e inferiore all'impulso di tensione U2 applicato nel corso del successivo semiperiodo. The current unbalance is essentially due to the fact that the voltage pulse 1 applied during the half-period 17 is different and lower than the voltage pulse U2 applied during the subsequent half-period.
Quest'ultimo introduce delle armoniche di corrente addizionali alla fondamentale e una componente continua. The latter introduces additional current harmonics to the fundamental and a direct component.
Secondo l’invenzione gli inconvenienti esposti sono eliminati modificando o riducendo l'impulso di tensione a onda quadra immediatamente seguente all'impulso sinusoidale U1 in modo che assuma un valore medio tra l'impulso U1 e gli impulsi U2 successivamente applicati. According to the invention, the drawbacks described are eliminated by modifying or reducing the square wave voltage pulse immediately following the sinusoidal pulse U1 so that it assumes an average value between the U1 pulse and the U2 pulses subsequently applied.
Questa riduzione o modifica può essere ottenuta come illustrata in figura 5 introducendo nel primo semiperiodo di modulazione a onda quadra ed all'inizio di questo un "buco" di tensione di durata X tale che l'impulso U3 risultante abbia valore U3=( U1+U2)/2 ovvero, per le convenzioni adottate U3=n^/8+l. This reduction or modification can be obtained as illustrated in Figure 5 by introducing in the first half-period of square wave modulation and at the beginning of this a voltage "hole" of duration X such that the resulting pulse U3 has value U3 = (U1 + U2) / 2 or, for the adopted conventions U3 = n ^ / 8 + l.
Pertanto il ritardo X, relativo a T0 nella applicazione dell'impulso U3 vale, come è facile verificare (tenendo conto che la tensione soppressa ha valore unitario e non ir/4) X=n /8-1 che può essere espresso in gradi nonagesimali come X«14<*>. Therefore the delay X, relative to T0 in the application of the impulse U3, is valid, as it is easy to verify (taking into account that the suppressed voltage has a unitary value and not ir / 4) X = n / 8-1 which can be expressed in nonagesimal degrees like X «14 <*>.
La corrente si mantiene a valore IO nell'intervallo di tempo tX-tO, poi cresce con legge lineare fino ad assumere all'istante tl il valore I1=TIV8 <55 >1>25 che, per quanto maggiore di [IO! è ben inferiore alla corrente di picco del caso precedente. The current is maintained at value IO in the time interval tX-tO, then it grows with a linear law until it assumes at the instant tl the value I1 = TIV8 <55> 1> 25 which, although greater than [IO! it is well below the peak current of the previous case.
Con questo accorgimento la componente continua di corrente viene completamente eliminata. With this arrangement the direct current component is completely eliminated.
E' chiaro che lo stesso effetto può essere ottenuto introducendo il buco di tensione in una fase qualsiasi del primo semiperiodo di modulazione a onda quadra. It is clear that the same effect can be obtained by introducing the voltage dip in any phase of the first half-period of square wave modulation.
Più vantaggiosamente ancora, in quanto porta ad una variazione di contenuto armonico del transitorio con attenuazione delle frequenze più basse, è possibile ottenere lo stesso effetto con una temporanea inversione della tensione applicata. More advantageously, as it leads to a variation of the harmonic content of the transient with attenuation of the lower frequencies, it is possible to obtain the same effect with a temporary inversion of the applied voltage.
In figura 6, l'impulso di tensione a onda quadra applicata nel semiperiodo 18 immediatamente successivo all'ultimo periodo 17 di modulazione sinusoidale, è costituito da un impulso di tensione inversa U4 di durata pari a XI e da un impulso di tensione U5 applicata nel verso appropriato. In Figure 6, the square wave voltage pulse applied in the half-period 18 immediately following the last period 17 of sinusoidal modulation, consists of an inverse voltage pulse U4 with a duration equal to XI and a voltage pulse U5 applied in the appropriate verse.
Senza sviluppare considerazioni analitiche è evidente, da semplici considerazioni geometriche, che l'impulso risultante U4+U5 ha lo stesso effetto dell'impulso U3 di figura 5 se Xl=itVl6-1⁄2 « 7<*>. Without developing analytical considerations it is evident, from simple geometric considerations, that the resulting impulse U4 + U5 has the same effect as the impulse U3 of figure 5 if Xl = itVl6-1⁄2 «7 <*>.
E' da notare che in questo caso la posizione dell'impulso di tensione inversa nell'ambito del semiperiodo non è irrilevante al fine di minimizzare le sovracorrenti e che un impulso di tensione inversa applicato alla fine del semiperiodo darebbe luogo a una maggior sovracorrente. It should be noted that in this case the position of the reverse voltage pulse within the half cycle is not irrelevant in order to minimize overcurrents and that a reverse voltage pulse applied at the end of the half cycle would give rise to a greater overcurrent.
Le stesse considerazioni possono essere sviluppare in un sistema trifase, dove occorre tuttavia tener conto delle interazioni tra le diverse fasi. The same considerations can be developed in a three-phase system, where however it is necessary to take into account the interactions between the different phases.
E' quindi conveniente calcolare la necessaria correzione da apportare con criteri diversi. It is therefore convenient to calculate the necessary correction to be made with different criteria.
Mentre in un sistema trifase in regime sinusoidale il centro stella è fisso a 0, in un sistema trifase a onda quadra il livello del centro stella è soggetto a fluttuazioni e vale nel tempo While in a three-phase system in sinusoidal regime the star point is fixed at 0, in a three-phase square wave system the level of the star point is subject to fluctuations and is valid over time
dove ql(t), q2(t), q3(t) rappresentano rispettivamente la tensione quadra di ciascuna fase. where ql (t), q2 (t), q3 (t) respectively represent the square voltage of each phase.
Si può quindi definire per ogni fase una grandezza A quantity can therefore be defined for each phase
La grandezza dn(t) rappresenta la differenza o lo scarto della tensione di fase, relativa al centro stella (variabile) e la componente armonica fondamentale della tensione quadra. The quantity dn (t) represents the difference or the deviation of the phase voltage, relative to the star center (variable) and the fundamental harmonic component of the square voltage.
Nella relazione (1) Sn(t) è la funzione sinusoidale rappresentativa dell'armonica fondamentale della fase n e qn(t) = Tt/4 . (segno di Sn(t)) rappresenta la quadra di contenuto armonico fondamentale equivalente. In relation (1) Sn (t) is the sinusoidal function representative of the fundamental harmonic of phase n and qn (t) = Tt / 4. (sign of Sn (t)) represents the square of equivalent fundamental harmonic content.
Allora in rappresenta, con le convenzioni già usate {VP=1, L=l, ω=1) la corrente armonica diversa dalla fondamentale per ogni singola fase (che può essere agevolmente calcolata) che si stabilisce nel passaggio da un regime sinusoidale (privo di armoniche) ad un regime di modulazione a onda quadra. Then in represents, with the conventions already used {VP = 1, L = l, ω = 1) the harmonic current different from the fundamental for each single phase (which can be easily calculated) that is established in the transition from a sinusoidal regime (without of harmonics) at a square wave modulation regime.
I diagrammi R, S, T, di figura 7 rappresentano la corrente armonica così instaurata in ogni fase R, S, T, nell'ipotesi che il cambiamento di modulazione avvenga quando la tensione applicata alla fase R ha valore 0 ossia passa per lo 0, senza le correzioni oggetto dell'invenzione. The diagrams R, S, T, in figure 7 represent the harmonic current thus established in each phase R, S, T, assuming that the modulation change occurs when the voltage applied to phase R has a value of 0, i.e. it passes through 0 , without the corrections object of the invention.
Definita con A la quantità A=n /18 - £ (che rappresenta l’integrale in(t) calcolato su un arco di periodo compreso tra t=0 e t=ir/3, la corrente armonica nella fase R è sempre positiva e varia da 0 a 4A con valore medio pari a 2A. Defined with A the quantity A = n / 18 - £ (which represents the integral in (t) calculated over an arc of period between t = 0 and t = ir / 3, the harmonic current in phase R is always positive and varies from 0 to 4A with an average value of 2A.
La corrente armonica nella fase S, ovviamente sfasata di 120", ha andamento simile a quello della corrente armonica nella fase R ma varia da un massimo pari ad A fino ad un minimo pari a -3A con una componente continua pari a -A. The harmonic current in phase S, obviously out of phase by 120 ", has a similar trend to that of the harmonic current in phase R but varies from a maximum equal to A to a minimum equal to -3A with a continuous component equal to -A.
La corrente armonica nella fase T ha andamento simile a quella della fase S, sfasato di 120<*>, essa pure con componente continua pari a -A. The harmonic current in phase T has a similar trend to that of phase S, out of phase by 120 <*>, also with a direct component equal to -A.
Tutte le correnti armoniche nascono necessariamente all'istante tO con valore iniziale nullo. All harmonic currents necessarily arise at the instant tO with zero initial value.
Come già spiegato esaurientemente con riferimento ad un sistema monofase è possibile compensare queste componenti continue modificando il primo impulso di tensione quadra applicato ad una fase, in questo caso la fase R, così da togliere a questo un'area di tensione opportuna, corrispondente alla quantità 3A (dimensionalmente A può essere considerato sia un impulso di tensione che una durata di impulso di tensione di ampiezza unitaria). As already explained in detail with reference to a single-phase system, it is possible to compensate for these continuous components by modifying the first square voltage pulse applied to a phase, in this case the phase R, so as to remove an appropriate voltage area from it, corresponding to the quantity 3A (dimensionally A can be considered both a voltage pulse and a voltage pulse duration of unity amplitude).
Questa modifica dell'impulso ql(t) simile a quella descritta con riferimento alla figura 5, relativa ad un sistema monofase, ha evidentemente effetto anche sulle fasi S e T secondo la equazione (1) e porta ad uno spostamento del centro stella pari a A. This modification of the pulse ql (t) similar to that described with reference to Figure 5, relating to a single-phase system, evidently also has an effect on the phases S and T according to equation (1) and leads to a displacement of the star center equal to TO.
Per effetto di questo spostamento viene completamente eliminata la componente continua in ciascuna delle tre fasi e le componenti armoniche si distribuiscono uniformemente intorno al valore 0, come rappresentato nei diagrammi RI, Si, TI di figura 7. As a result of this displacement, the continuous component in each of the three phases is completely eliminated and the harmonic components are uniformly distributed around the value 0, as represented in the diagrams RI, Si, TI of figure 7.
Chiaramente lo stesso risultato, in analogia con la descrizione fatta con riferimento alla figura 6, si ottiene vantaggiosamente applicando alla fase 1 un impulso di tensione inversa corrispondente alla quantità A x 3/2 ossia un impulso di tensione unitaria -1 e durata pari a x^/XZ - 3/4 « 4<*>. Clearly the same result, in analogy with the description made with reference to Figure 6, is advantageously obtained by applying to phase 1 an inverse voltage pulse corresponding to the quantity A x 3/2, i.e. a pulse of unitary voltage -1 and duration equal to x ^ / XZ - 3/4 «4 <*>.
E* da notare che in un sistema trifase, sia l'introduzione del "buco" di tensione che dell'impulso di tensione inversa immediatamente dopo il cambiamento di modulazione, rende minima l'entità delle inevitabili sovracorrenti ed è da preferire rispetto a correzioni apportate in istanti diversi del semiperiodo. It should be noted that in a three-phase system, both the introduction of the voltage "dip" and the reverse voltage pulse immediately after the modulation change, minimizes the entity of the inevitable overcurrents and is to be preferred over corrections made at different instants of the half-period.
Nella descrizione che precede si è fatto riferimento ad una transizione da regime di modulazione sinusoidale a quadro con tensione sinusoidale di ampiezza unitaria relativamente alla tensione continua di alimentazione. In the foregoing description reference has been made to a transition from sinusoidal modulation regime to switchboard with sinusoidal voltage of unitary amplitude relative to the direct supply voltage.
E' però possibile eseguire transizioni anche se l'ampiezza della modulazione sinusoidale è inferiore a 1 relativamente alla tensione continua di alimentazione. However, it is possible to perform transitions even if the amplitude of the sinusoidal modulation is less than 1 relative to the direct supply voltage.
Per una generica ampiezza K (con 0-<Kil) della modulazione sinusoidale la correzione da apportare sarà proporzionalmente ridotta in durata. For a generic amplitude K (with 0- <Kil) of the sinusoidal modulation, the correction to be made will be proportionally reduced in duration.
Chiaramente nella transizione da modulazione a onda quadra a modulazione sinusoidale la modalità di passaggio è la stessa ed avviene introducendo una modificazione dell'impulso a onda quadra che precede la transizione, preferibilmente subito prima dell'istante di passaggio. Clearly in the transition from square wave modulation to sinusoidal modulation the passage mode is the same and occurs by introducing a modification of the square wave pulse that precedes the transition, preferably immediately before the instant of passage.
La figura 8 rappresenta in schema a blocchi una forma preferita di realizzazione del sistema di commutazione che mette in atto il metodo descritto in un sistema trifase. Figure 8 represents a block diagram of a preferred embodiment of the switching system which implements the method described in a three-phase system.
Il blocco 20 alimentato da una tensione continua VP rappresenta un invertitore trifase di tipo convenzionale che alimenta le fasi statoriche 21,22,23 di un motore asincrono trifase così da generare un campo magnetico rotante. The block 20 powered by a direct voltage VP represents a three-phase inverter of the conventional type which supplies the stator phases 21,22,23 of a three-phase asynchronous motor so as to generate a rotating magnetic field.
Il rotore 24 del motore è accoppiato ad un rivelatore di velocità angolare 25, QDET preferibilmente un encoder il cui segnale di uscita è applicato ad un circuito di confronto 26 che in funzione di una velocità di rotazione desiderata SP genera un segnale di errore E. The rotor 24 of the motor is coupled to an angular speed detector 25, QDET preferably an encoder whose output signal is applied to a comparison circuit 26 which, as a function of a desired rotation speed SP, generates an error signal E.
La velocità angolare del rotore, sommata al segnale di errore E in un circuito sommatore di frequenze FRADD 27, fornisce un segnale Ω0 costituito da impulsi periodici di frequenza proporzionale alla pulsazione Ω0 ossia alla velocità angolare espressa in radianti/secondo da imporre al campo magnetico rotante. The angular velocity of the rotor, added to the error signal E in a frequency summing circuit FRADD 27, provides a signal Ω0 consisting of periodic pulses of frequency proportional to the pulsation Ω0 that is to the angular velocity expressed in radians / second to be imposed on the rotating magnetic field .
Il circuito sommatore 27 genera anche un segnale binario U/D che definisce il senso di rotazione del campo e controlla un contatore binario ciclico 28 perchè incrementi o decrementi ad ogni impulso del segnale Ω0 ricevuto. The summing circuit 27 also generates a binary signal U / D which defines the direction of rotation of the field and controls a cyclic binary counter 28 to increase or decrease with each pulse of the signal Ω0 received.
Lo stato del contatore descrive quindi, per ogni valore di conteggio, la posizione angolare del campo magnetico rotante ed il corrispondente angolo di fase che ciascuna delle tensioni di fase applicate allo statore deve avere. The state of the counter therefore describes, for each count value, the angular position of the rotating magnetic field and the corresponding phase angle that each of the phase voltages applied to the stator must have.
Un predeterminato valore di conteggio, per esempio 0, definisce quindi l'inizio del periodo ossia il passaggio per lo 0 di una delle tre tensioni di fase e produce in uscita dal contatore 28 un corrispondente segnale "0". A predetermined count value, for example 0, therefore defines the beginning of the period, ie the passage through 0 of one of the three phase voltages and produces a corresponding "0" signal at the output of the counter 28.
Il codice binario in uscita dal contatore 28 è applicato agli ingressi di indirizzo di tre memorie permanenti preferibilmente EPROM 29, 30, 31 alle cui uscite è disponibile un codice binario che al variare dell'indirizzo evolve secondo la funzione sinusoide di ampiezza unitaria, le sinusoidi descritte da ogni EPROM essendo sfasate di 120' l'una rispetto all'altra. The binary code output from the counter 28 is applied to the address inputs of three permanent memories, preferably EPROM 29, 30, 31 at whose outputs a binary code is available which, as the address varies, evolves according to the sinusoid function of unitary amplitude, the sinusoids described by each EPROM being 120 'out of phase with respect to each other.
Le uscite binarie delle EPROM 29, 30, 31 sono applicate in ingresso rispettivamente a uno di tre convertitori digitali/analogici DAC 32, 33, 34, con fattore di conversione controllato. The binary outputs of the EPROMs 29, 30, 31 are respectively applied to the input of one of three digital / analog converters DAC 32, 33, 34, with controlled conversion factor.
Un convertitore frequenza tensione F/V 35 connesso all'uscita del sommatore 27, converte il segnale impulsivo Ω0 in un segnale analogico di tensione proporzionale alla velocità angolare di campo. An F / V voltage frequency converter 35 connected to the output of the adder 27 converts the pulse signal Ω0 into an analog voltage signal proportional to the angular velocity of the field.
L'uscita del convertitore 35 è connessa all'ingresso di controllo dei convertitori 32, 33, 34 che pertanto generano in uscita al variare dello stato del contatore 28, tre segnali sinusoidali la cui frequenza è correlata alla frequenza di increme ntazione del contatore 28 e la cui ampiezza è correlata alla velocità angolare di campo. The output of the converter 35 is connected to the control input of the converters 32, 33, 34 which therefore generate at the output three sinusoidal signals, the frequency of which is correlated to the increment frequency of the counter 28, as the state of the counter 28 varies and whose amplitude is correlated to the angular velocity of the field.
Le uscite dei convertitori 32, 33, 34, sono ciascuna connessa all'ingresso di un comparatore rispettivamente 36, 37, 38 che riceve ad un secondo ingresso un segnale di tensione variabile a dente di sega o in modo del tutto equivalente a profilo triangolare, generato da un oscillatore controllato in tensione VCO 39, che oscilla ad una frequenza prestabilita FS (frequenza di sottooscillazione) maggiore della frequenza dei segnali sinusoidali in uscita dai convertitori 32,33,34. The outputs of the converters 32, 33, 34 are each connected to the input of a comparator 36, 37, 38 respectively which receives at a second input a variable voltage signal with a sawtooth or in a completely equivalent way with a triangular profile, generated by a voltage controlled oscillator VCO 39, which oscillates at a predetermined frequency FS (under oscillation frequency) greater than the frequency of the sinusoidal signals output by the converters 32,33,34.
All'uscita dei comparatori 36,37,38 sono quindi disponibili tre segnali impulsivi di frequenza FS modulati in durata secondo una legge sinusoidale (analogamente a quanto illustrato in figura 1). At the output of the comparators 36,37,38 there are therefore available three pulse signals of frequency FS modulated in duration according to a sinusoidal law (similarly to what is illustrated in Figure 1).
Questi segnali attraverso il multiplexer 40 sono applicati in ingresso all'invertitore 20 e ne comandano gli interruttori. These signals through the multiplexer 40 are applied to the input of the inverter 20 and control its switches.
Convenientemente la frequenza dell'oscillatore VCO 39 viene controllata e ridotta per bassi valori di velocità angolare di campo, in modo da ridurre al minimo le perdite di commutazione degli interruttori. Conveniently, the frequency of the VCO oscillator 39 is controlled and reduced for low field angular velocity values, so as to minimize the switching losses of the switches.
A questo scopo il segnale analogico in uscita dal convertitore 35, convenientemente limitato in ampiezza da un limitatore 41 è applicato come tensione di controllo al VCO 39 attraverso un multiplexer analogico 42 la cui funzione sarà illustrata nel seguito. For this purpose, the analog output signal from the converter 35, conveniently limited in amplitude by a limiter 41, is applied as a control voltage to the VCO 39 through an analog multiplexer 42 whose function will be illustrated below.
In aggiunta alle EPROM 29,30,31 è prevista una quarta memoria permanente EPROM 43 che, analogamente alle EPROM 29,30, 31 è indirizzata dall'uscita del contatore 28 e descrive con livello binario su tre uscite 44 tre forme d'onda quadre aventi la stessa frequenza ciclica del contatore 28, che attraverso il multiplexer 40 sono applicate in ingresso all'invertitore 20. In addition to the EPROM 29,30,31 a fourth permanent memory EPROM 43 is provided which, similarly to the EPROM 29,30, 31 is addressed by the output of the counter 28 and describes three square waveforms with binary level on three outputs 44 having the same cyclic frequency of the counter 28, which through the multiplexer 40 are applied at the input to the inverter 20.
Per ottenere una modulazione equivalente di ampiezza delle onde quadre in uscita dalla EPROM 28, la EPROM 43 produce in uscita, su uscite 45, dei codici binari rappresentativi di rampe a scalini, collocate temporalmente nella porzione centrale di ciascuno degli impulsi a onda quadra. To obtain an equivalent amplitude modulation of the square waves at the output of the EPROM 28, the EPROM 43 produces at the output, on outputs 45, binary codes representative of stepped ramps, temporally placed in the central portion of each of the square wave pulses.
Questi codici sono convertiti da un convertitore digitale/analogico 46 in una rampa di tensione che viene confrontata da un comparatore 47 con la tensione in uscita dal convertitore 35 e rappresentativa della velocità angolare di campo. These codes are converted by a digital / analog converter 46 into a voltage ramp which is compared by a comparator 47 with the output voltage from the converter 35 and representative of the angular field velocity.
Il comparatore 47 produce quindi in uscita degli impulsi periodici binari di durata decrescente con l'aumentare della velocità angolare di campo. The comparator 47 therefore produces at the output binary periodic pulses of decreasing duration as the angular velocity of the field increases.
Questi impulsi possono essere applicati ad un ingresso di indirizzo delle EPROM 43 per modificare lo stato dei segnali sulle uscite 44 o anche come segnale di controllo per chiudere delle porte di controllo delle uscite 44 e deasserire i segnali ivi presenti, introducendo così nelle forme d'onda quadre i buchi di tensione già visti con riferimento alla figura 3. These pulses can be applied to an address input of the EPROM 43 to modify the status of the signals on the outputs 44 or also as a control signal to close the control gates of the outputs 44 and to de-assert the signals present therein, thus introducing in the forms of square wave the voltage dips already seen with reference to Figure 3.
Si possono ora considerare i diversi componenti che controllano il passaggio dalla modulazione sinusoidale di tensione a quella a onda quadra e viceversa. We can now consider the different components that control the transition from sinusoidal voltage modulation to square wave modulation and vice versa.
Una logica di controllo 48, che è essenzialmente una macchina a stati finiti, riceve in ingresso il segnale "0" dal contatore 28 e il segnale di tensione VC in uscita dal convertitore 35 e rappresentativo della velocità angolare di campo. A control logic 48, which is essentially a finite state machine, receives at its input the signal "0" from the counter 28 and the voltage signal VC at the output of the converter 35 and representative of the angular velocity of the field.
La logica di controllo 48, comprende un comparatore di tensione con isteresi opportuna che confronta la tensione in uscita dal convertitore 35 con una banda di tensioni di riferimento VREF rappresentativa della soglia o velocità angolare di campo a cui occorre commutare da un modo di modulazione all'altro. The control logic 48 comprises a voltage comparator with suitable hysteresis which compares the output voltage of the converter 35 with a band of reference voltages VREF representative of the threshold or angular velocity of the field at which it is necessary to switch from a modulation mode to the other.
Per VC<VREF la logica di controllo 48 è in uno stato che, attraverso un filo 49, comanda il multiplexer 40 in modo da trasferire all'inverter 20 la modulazione sinusoidale di fase. For VC <VREF the control logic 48 is in a state which, through a wire 49, commands the multiplexer 40 so as to transfer the sinusoidal phase modulation to the inverter 20.
Quando VC supera VREF, la logica di controllo 48 si pone in uno stato di attesa del segnale 0, al verificarsi del quale abilita il multiplexer 40 al trasferimento dei segnali rappresentativi di onda quadra. When VC exceeds VREF, the control logic 48 places itself in a waiting state for the signal 0, upon occurrence of which it enables the multiplexer 40 to transfer the square wave representative signals.
Allo stesso tempo viene inviato un segnale di comando attraverso un filo 53 ad una memoria EPROM 50. At the same time a command signal is sent through a wire 53 to an EPROM memory 50.
Il segnale sul filo 53 può agire sia come bit di indirizzamento sia come abilitazione di uscite che diversamente sarebbero tenute a livello logico asserito. The signal on wire 53 can act both as an addressing bit and as an enabling of outputs which otherwise would be kept at an asserted logic level.
La EPROM 50 riceve, come indirizzo, lo stato del contatore 28 e produce corrispondentemente in uscita dei codici rappresentativi di una onda a trapezio con i lati obliqui aventi origine negli istanti di passaggio dallo 0 di una fase delle tensioni di alimentazione. The EPROM 50 receives, as an address, the status of the counter 28 and correspondingly outputs codes representing a trapezoid wave with oblique sides originating in the instants of transition from 0 of a phase of the supply voltages.
Il codice in uscita dalla EPROM 50 è convertito in un segnale analogico di tensione da un convertitore D/A 51 e applicato in ingresso ad un comparatore 52 che riceve al secondo ingresso il segnale di tensione sviluppato dal convertitore 35. The code output from the EPROM 50 is converted into an analog voltage signal by a D / A converter 51 and applied at the input to a comparator 52 which receives at the second input the voltage signal developed by the converter 35.
Fin che la tensione in uscita dal convertitore 51 è inferiore alla tensione VC, in questo caso rappresentativa del coefficiente K di ampiezza di modulante sinusoidale, il comparatore 52 produce in uscita un segnale che maschera quella delle uscite 44 e che corrisponde alla fase appena passata per lo 0, introducendo con questo nella corrispondente tensione di fase un buco di tensione di durata predeterminata variabile proporzionalmente a K. As long as the output voltage of the converter 51 is lower than the voltage VC, in this case representative of the coefficient K of the sinusoidal modulating amplitude, the comparator 52 outputs a signal which masks that of the outputs 44 and which corresponds to the phase just passed for 0, introducing with this in the corresponding phase voltage a voltage dip of predetermined duration variable proportionally to K.
Dopo un tempo predeterminato, che può essere imposto per esempio da un segnale finestra FIN in uscita dalla EPROM 43, il segnale sul filo 53 viene deasserito, per evitare l'ulteriore introduzione di buchi di tensione nei periodi seguenti. After a predetermined time, which can be imposed for example by a window signal FIN in output from the EPROM 43, the signal on wire 53 is deasserted, to avoid the further introduction of voltage dips in the following periods.
Del tutto analogo è il passaggio da modulazione a onda quadra a modulazione sinusoidale. The transition from square wave modulation to sinusoidal modulation is quite similar.
Quando la tensione VC scende sotto la tensione di riferimento VREF la logica a stati 48, al verificarsi del segnale di 0, una prima volta attende l'asserzione del segnale finestra FIN da EPROM 43 e al quel momento asserisce al segnale di abilitazione della EPROM 50. Questo provoca l'introduzione di un buco di tensione (anche in questo caso di durata proporzionale a K) in una fase immediatamente prima del passaggio per lo 0 di questa. When the voltage VC falls below the reference voltage VREF the state logic 48, upon the occurrence of the 0 signal, waits for the first time for the assertion of the window signal FIN from EPROM 43 and at that moment asserts to the enabling signal of the EPROM 50 This causes the introduction of a voltage dip (also in this case of duration proportional to K) in a phase immediately before the passage through the 0 of this.
Con il successivo impulso di 0 ricevuto, la logica a stati 48 commuta poi il multiplexer 40 e disabilita la EPROM 50. With the next 0 pulse received, state logic 48 then switches multiplexer 40 and disables EPROM 50.
Per quando non strettamente indispensabile è anche previsto un meccanismo di sincronizzazione della portante di sottooscillazione con la modulante sinusoidale in modo che le correnti transitorie di commutazione PVM siano nulle quando avviene il passaggio da una forma di modulazione all'altra. For when not strictly essential, a synchronization mechanism of the under-oscillation carrier with the sinusoidal modulator is also provided so that the PVM switching transient currents are zero when the transition from one modulation form to the other takes place.
Il meccanismo comprende essenzialmente un circuito di aggancio di fase PLL 55 ed il multiplexer 42. The mechanism essentially comprises a PLL phase locking circuit 55 and the multiplexer 42.
La EPROM 43 oltre ai segnali già visti, genera un segnale periodico binario SINC con frequenza proporzionale alla frequenza di incrementazione del contatore e molto prossimo, quando la tensione VC è uguale a VREF alla frequenza del VCO 39. The EPROM 43 in addition to the signals already seen, generates a binary periodic signal SINC with a frequency proportional to the increment frequency of the counter and very close, when the voltage VC is equal to VREF at the frequency of the VCO 39.
Il segnale SINC è applicato all'ingresso di riferimento del circuito 55, essenzialmente ad un comparatore di fase, la cui uscita analogica è connessa ad un secondo ingresso del multiplexer 42. Con l'attivazione della macchina a stati 48, e per un tempo predeterminato definito per esempio dal riconoscimento da parte della macchina a stati di un segnale 0 precedente a quello in coincidenza del quale si farà il passaggio di modulazione, il multiplexer 42 viene comandato per applicare al VCO 39 la tensione in uscita dal comparatore di fase. The SINC signal is applied to the reference input of the circuit 55, essentially to a phase comparator, whose analogue output is connected to a second input of the multiplexer 42. With the activation of the state machine 48, and for a predetermined time defined for example by the recognition by the state machine of a signal 0 preceding the one at which the modulation passage will be made, the multiplexer 42 is controlled to apply to the VCO 39 the output voltage from the phase comparator.
In questo modo la frequenza del VCO 39 viene modificata fino ad assumere la frequenza imposta da SINC e in fase predeterminata rispetto a questa. In this way the frequency of the VCO 39 is modified until it assumes the frequency set by SINC and in a predetermined phase with respect to this.
Questa sincronizzazione è effettuata solamente in . un breve periodo di tempo immediatamente precedente ad un cambiamento di modulazione. This synchronization is performed only in. a short period of time immediately preceding a modulation change.
La descrizione che precede riguarda solo una forma preferita di realizzazione dell'invenzione ed è chiaro che molte varianti possono essere apportate senza dipartirsi dal suo scopo. The above description relates only to a preferred embodiment of the invention and it is clear that many variations can be made without departing from its purpose.
Per esempio la trattazione che precede ha definito in termini rigorosi l'entità della correzione da apportare nel caso di sistema trifase con carico puramente induttivo. For example, the above discussion has rigorously defined the extent of the correction to be made in the case of a three-phase system with a purely inductive load.
In funzione delle caratteristiche resistive di questo è possibile definire un campo ottimale di valori di correzione, essenzialmente proporzionali alla frequenza ed ampiezza della tensione a modulazione sinusoidale relativamente alla tensione continua di alimentazione. Depending on the resistive characteristics of this, it is possible to define an optimal range of correction values, essentially proportional to the frequency and amplitude of the sinusoidal modulation voltage relative to the direct supply voltage.
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