ITMI942635A1 - Metodo e relativo dispositivo di controllo di un motore sincrono monofase a magneti permanenti atto ad ottimizzare i parametri di - Google Patents

Abstract

Un metodo per controllare un motore sincrono monofase a magneti permanenti (1) atto ad ottimizzare i parametri di funzionamento anche in presenza di oscillazioni della tensione di alimentazione o del carico applicato comprende la valutazione dello sfasamento tra la forza elettromotrice o f.e.m. di tale motore e la corrente circolante in esso, tale valutazione essendo effettuata attraverso il rilevamento di almeno due grandezze, una relativa al motore ad una alla sua alimentazione elettrica, ed in funzione di tale valutazione si interviene sul valore di tale sfasamento in modo da annullarlo.Un dispositivo per l'attuazione del metodo sopra citato comprende mezzi (20, 25) generatori rispettivamente di un segnale (6) corrispondente al valore di sfasamento della f.e.m. rispetto alla tensione di alimentazione partendo dal segnale proveniente da un sensore 6 di posizione funzionalmente cooperante col rotore del motore, e di un segnale (?1) corrispondente allo sfasamento rispetto alla tensione di alimentazione della prima armonica della corrente circolante nel motore (1).

Description

Descrizione di un brevetto d'invenzione

Forma oggetto del presente trovato un metodo per il controllo di un motore sincrono monofase a magneti permanenti secondo il preambolo della rivendicazione principale. Forma altresì oggetto del trovato un dispositivo per l'attuazione di tale metodo.

Come è noto in un motore sincrono monofase a magneti permanenti, connesso alla rete di alimentazione a 50 o 60 Hz, l'avviamento del rotore con il carico ad esso connesso può avvenire solamente ricorrendo ad una particolare asimmetria di traferro e solamente in presenza di carichi (inerziali e resistenti) piuttosto esigui. Sono noti, tuttavia, dispositivi elettronici di basso costo attraverso l'impiego dei quali è possibile avviare un motore sincrono monofase a magneti permanenti nella voluta direzione di rotazione e in presenza di carichi non necessariamente esigui.

In ogni caso, il rotore deve poter generare una coppia di avviamento tale da vincere le inerzie e le coppie resistenti offerte dal carico in modo da portarsi in sincronismo alla frequenze di rete. Per far ciò il motore, avente un circuito elettromagnetico ben definito, richiede nella fase di avviamento una tensione di alimentazione, in funzione della quale si ottiene proporzionalmente una coppia erogata, più elevata di quella teoricamente necessaria per farlo funzionare in sincronismo (dove le coppie inerziali resistenti non sono più presenti). Poiché la tensione di rete, tuttavia, è necessariamente a valore efficace costante (eccettuate le oscillazioni della rete di alimentazione ammesse in tolleranza) ne consegue che il motore deve essere progettato sia per operare con questo valore di tensione e relativa tolleranza, ma soprattutto per poter superare la fase di avviamento (ovvero vincere la coppia resistente del carico a cui si assommano le coppie inerziali) anche nella condizione di minima tensione .

Pertanto una volta in sincronismo alla tensione nominale non si ha l'ottimizzazione di funzionamento del motore ovvero non se ne sfruttano appieno le potenzialità.

Inoltre, i paramentri di funzionamento sono influenzati dalle oscillazioni del valore della tensione di alimentazione e dalle eventuali oscillazioni del carico resistente; esse, infatti, comportano una variazione del comportamento termico del motore stesso che può raggiungere temperature anche elevate le quali ne riducono il livello di efficenza. Nel contempo, al fine di considerare in fase progettuale le suddette oscillanzioni , si realizzano motori del tipo citato con un particolare dimensionamento dei materiali attivi (ferro, rame) .

Scopo del presente trovato è quello di offrire un metodo ed un corrispondente dispositivo per la sua attuazione che consenta il controllo di un motore sincrono monofase a magneti permanenti in modo da superare gli inconvenienti delle metodologie e dei corrispondenti dispositivi di controllo noti.

In particolare, scopo del presente trovato è quello di ottimizzare i parametri di funzionamento di un motore sincrono monofase a magneti permanenti nella condizione di sincronismo.

Un ulteriore scopo del presente trovato è quello di ottimizzare i parametri di funzionamento del motore suddetto anche in presenza di oscillazioni della tensione di alimentazione (ovvero di rete) o di oscillazioni del carico resistente.

Un altro scopo del presente trovato è quello di permettere un dimensionamento dei materiali attivi del motore correlato ad un suo funzionamento ottimizzato senza che detto dimensionamento debba necessariamente essere effettuato considerando le oscillazioni della tensione di alimentazione o del carico.

Un ulteriore scopo del presente trovato è quello di offrire un metodo ed un corrispondente dispositivo del tipo citato di semplice attuazione e realizzazione, di costi contenuti e di elevata affidabilità.

Un altro scopo del presente trovato è quello di offrire un metodo ed un dispositivo che consenta l'avviamento del motore secondo un verso prefissato e successivamente di ottimizzarne il funzionamento secondo le caratteristiche proprie del motore.

Questi ed altri scopi che risulteranno evidenti all'esperto del ramo vengono raggiunti da un metodo secondo la parte caratterizzante della rivendicazione principale.

Gli scopi suddetti vengono raggiunti da un dispositivo per l'attuazione del metodo suddetto secondo le corrispondenti rivendicazioni allegate. Per una maggior comprensione del presente trovato si allega a titolo puramente esemplificativo, ma non limitativo, il seguente disegno, in cui:

la figura 1 rappresenta uno schema a blocchi di un dispositivo di controllo di un motore monofase sincrono a magneti permanenti secondo il trovato; le figure 2A, 2B rappresentano, rispettivamente, un tipico andamento del rendimento e della corrente in funzione della tensione di alimentazione di un motore sincrono a magneti permanenti;

le figure 2C e 2D rappresentano, rispettivamente, un tipico andamento degli stessi parametri di figura 2A e 2B, ma durante l'attuazione del presente trovato;

la figura 3 riporta le forme d'onda delle grandezze:

u(t)= tensione di alimentazione al motore;

e(t)= f.e.m;

i(t)= corrente nell'avvolgimento

in un motore a magneti permanenti in sincronismo senza alcun dispositivo di controllo secondo il trovato;

la figura 4 rappresenta le forme d'onda delle grandezze riportate in figura 3 ma di un motore controllato secondo l'invenzione; tale figura riporta anche la forma d'onda Urp(t) della tensione su un interruttore statico del dispositivo di figura 1 durante l'attuazione del trovato; nella figura è rappresentata anche la prima armonica I^ t) della corrente i (t);

la figura 5 rappresenta uno schema a blocchi di una possibile forma di realizzazione del dispositivo secondo il trovato.

Prima di entrare nel merito del trovato, si premette che nel funzionamento in sincronismo, il motore sincrono a magneti permanenti è caratterizzato usualmente dagli andamenti della tensione di alimentazione u(t), della f.e.m. e(t) indotta nell'avvolgimento dal campo magnetico rotante generato dai magneti permanenti posizionati sul rotore, e della corrente i(t) circolante nell 'avvolgimento di statore come rappresentato in figura 3. Generalmente, analizzando tali grandezze è possibile rilevare che la f.e.m. e(t) risulta sfasata in ritardo di un angolo (δ) e la corrente i(t) di un angolo φ rispetto alla tensione u(t). Lo sfasamento risultante tra la corrente e la f.e.m. è rappresentato dall'àngolo Ψ. Le grandezze, di cui sopra, come è noto presentano le seguenti espressioni analitiche:

u(t)= U . sin (wt)

dove U, E ed I rappresentano i valori massimi (o di picco) delle grandezze citate.

Dalla letteratura tecnica è noto che se si rende φ=ο, ovvero la grandezza f.e.m. e(t) risulta in fase con la corrente i(t), si rende massimo il rapporto coppia-corrente, ovvero si ottiene la minima potenza assorbita per un dato motore e per un carico prefissato; operando in ogni istante di funzionamento del motore in modo da rendere Ψ=0 si ottiene pertanto l'ottimizzazione del funzionamento riducendo le perdite (massima efficenza) e la corrente .

Poiché così facendo contemporaneamente si va a regolare la tensione di alimentazione al motore, allora l'ottimizzazione del funzionamento risulta assicurata anche in presenza di oscillazioni della tensione di rete e/o del carico.

La presente invenzione si propone di controllare un motore sincrono monofase 1 (figura 1) a magnete permanente in modo da attuare la condizione di fasatura tra la corrente i(t) (o meglio la sua prima armonica ii(t) e la f.e.m. e(t) più sopra citate.

Con riferimento alle citate figure, il motore 1 è alimentato dalla tensione di rete u(t) attraverso linee elettriche 2 e 3 ed è comandato e controllato nel suo funzionamento da un'unità di comando e controllo 4, preferibilmente del tipo a microprocessore. Tale controllo è effettuato sulla base della misura di due sole grandezze, una propria del motore ed una relativa al segnale elettrico che lo alimenta. Tali grandezze sono la posizione del rotore di tale motore ed il valore della tensione di alimentazione uT(t) misurata su un interruttore 5 posto in serie al motore 1. Tale interruttore è preferibilmente un interruttore statico, quale un TRIAC, un SCR od altro organo elettronico equivalente. Al fine di rilevare le grandezze suddette, è previsto un sensore di posizione 6, ad esempio un sensore di Hall, funzionalmente cooperante con il rotore suddetto; per il funzionamento della tensione ed è previsto un ramo elettrico 9 connesso ad un ramo elettrico collegante l'interruttore 5 ed il motore 1 in un nodo 10 posto tra questi ultimi. Il sensore 6 ed il ramo 9 sono connessi all'unità 4 che pilota la chiusura dell'interruttore 5 attraverso un ramo elettrico il; tale unità è connessa alla linea elettrica d'alimentazione 3 attraverso un nodo 12 posto a monte dell'interruttore suddetto.

Più in particolare, con riferimento alla figura 5, l'unità 4 comprende: un blocco circuitale elaboratore 20 fungente da trasduttore di segnale che riceve i segnali generati dal sensore 6 e che è connesso ad un nodo soirunatore 21; un blocco circuitale 22 connesso al blocco 20 ed al nodo 10, che riceve e trasduce il segnale di tensione u(t) prelevato da tale nodo; un blocco circuitale 23 attraverso il quale viene generato un segnale V3⁄4 di comando dell'interruttore. Un'uscita 24 del blocco 22 è connessa al blocco 20, ad un primo ingresso 23A del blocco 23 e ad un ingresso di un blocco circuitale 25 a cui perviene anche il segnale in uscita dal blocco 20 ed un segnale in uscita da un blocco circuitale 27. Quest'ultimo riceve un segnale d'uscita dal nodo sommatore 21 a cui pervengono i segnali d'uscita del blocco 25 e del blocco 20. Il segnale d'uscita del blocco 27 perviene anche ad un secondo ingresso 23B del blocco 23. A titolo d'esempio si può citare il fatto che il blocco 20, come è detto, è un elaboratore di segnale e così anche i blocchi 23 e 25; il blocco 22 è una rete resistiva ovvero un blocco che emette un segnale logico; il blocco 27 è un regolatore per esempio del tipo "Deadbeat".

L'attuazione del metodo secondo il trovato verrà ora descritto in relazione all'utilizzo del dispositivo più sopra citato.

Nell'applicazione pratica dell'invenzione proposta si tratta di poter risalire agli angoli di sfasamento tra f.e.m. e corrente statorica ed operare così un controllo tale da rendere l'angolo <■>^=0, gestendo il valore della tensione applicata all'avvolgimento, il tutto prelevando i segnali di almeno due sole grandezze: posizione del rotore e tensione sull'interruttore statico 5. All'uopo, quindi, si rileva la tensione di alimentazione (rete) u>p(t) che è misurabile sull'interruttore suddetto quando quest'ultimo è in condizioni di non conduzione: è pertanto possibile memorizzare nell'unità 4 il passaggio per lo zero e il periodo di questa grandezza anche in una fase iniziale di motore fermo (prima dell'avviamento) per poi successivamente ricostruirne in qualsiasi momento tramite algoritmi di confronto prefissati il passaggio per lo zero di tale segnale, in quanto la frequenza di rete è generalmente fissata.

La valutazione della f.e.m. e(t) e quindi dello spostamento di essa rispetto alla tensione di rete ovvero il passaggio per lo zero di tale grandezza viene determinata attraverso il rilevamento della posizione del rotore del motore 1, ovvero quando il rotore è allineato con l'asse del flusso statorico: tramite il segnale generato dal sensore di posizione 6 è pertanto possibile misurare il tempo di ritardo δ della f.e.m. e(t) rispetto alla tensione di alimentazione u(t).

Conoscendo ora l'istante in cui la f.e.m. e{t) passa per lo zero, è possibile agire sull'accensione (ovvero chiusura) dell'interruttore statico 5 in modo che la prima armonica i1ft) della corrente assorbita i(t) dal motore risulti in fase con la f.e.m. e(t) stessa. Con riferimento alla figura 4 che, riporta le forme d'onda della tensione di alimentazione della corrente e della tensione sull'interruttore statico durante l'impiego del dispositivo secondo il trovato, si può notare che l'andamento della corrente i(t) in presenza della regolazione effettuata attraverso tale dispositivo non è più continuo (come in figura 3), ma presenta delle discontinuità. Chiamando "7" l'angolo di spegnimento della corrente i(t) (rispetto al passaggio per lo zero della tensione di alimentazione) e "a" l'angolo di accensione della corrente i(t) stessa, si riesce a determinare lo sfasamento della prima armonica della corrente i(t) rispetto alla tensione di alimentazione U(t). Per ottenere la condizione di massimo rendimento e di minima corrente assorbita i(t), il sistema di controllo, pertanto, agisce su "a" in modo da portare l'angolo "δ" in fase con l'angolo "φΐ", ovvero la f.e.m. e(t) in fase con la prima armonica ∑l(t) della corrente i(t).

Con riferimento allo schema a blocchi di figura 5, il motodo sopra citato viene attuato secondo le seguenti modalità. All'inizio del funzionamento del dispositivo si effettua una sincronizzazione del circuito elettronico con la tensione di alimentazione. Il blocco 22 rileva l'istante di spegnimento dell'interruttore elettronico ed al segnale generato da questa parte del dispositivo vengono definiti i ritardi della f.e.m. e dell'accensione dell'interruttore statico. Il blocco 20 riceve in ingresso il segnale del sensore ad effetto hall e determina il ritardo di questo rispetto allo spegnimento dell'interruttore statico.

Il blocco 23 valuta quando deve essere acceso l'interruttore elettronico sempre in modo relativo allo spegnimento dell'interruttore statico.

Il blocco 25 determina, il base di ritardi δ,y e a, la fase della prima armonica corrente.

Più in particolare, il segnale dal sensore di posizione 6 entra nel blocco 20 dove viene elaborato insieme al segnale presente all'uscita 24 del blocco 22 in modo tale da avere in uscita lo sfasamento δ più sopra indicato. La tensione sull'interruttore statico 5 indicata con UT(t) entra nel blocco 22 dove viene elaborata per avere in uscita y che rappresenta il momento di spegnimento della corrente. In particolare, tutte le volte che l'interruttore elettronico si spegne la tensione ai suoi capi diventa pari alla tensiohne di alimentazione, per cui rilevando questo cambiamento si ottiene y che è un segnale temporale al quale sono riferiti i ritardi di ò e a.

Come detto l'uscita dal blocco 22 costituisce un ingresso per il blocco 20, un ingresso per il blocco 23 ed un ingresso per il blocco 25.

Il blocco 25 riceve in ingresso anche i segnali di uscita dal blocco 20 e dal blocco 27. Nel contempo il blocco 27 genera un segnale a che corrisponde all'angolo d'accensione della correte i(t). Dopo la fase di spunto, il motore, prima dell'intervento del dispositivo secondo il trovato, si trova a funzionare con una correte i(t) (sfasata in ritado di un angolo ò rispetto alla tensione U(t)) che dipende dalle condizioni di carico e dalle caratteristiche elettriche del motore; questo angolo δ viene utilizzato come valore iniziale di a. Successivamente a viene ripetutamente aggiornato dal dispositivo secondo il trovato in modo da "inseguire" la condizione di fasatura tra f.e. m e(t) e la prima armonica ii(t) della corrente.

I segnali 7, δ, e a sono inviati al blocco 25 che li <' >elabora confrontandoli secondo algoritmi in sè noti e che genera in uscita φΐ. Il blocco 25 è un blocco di calcolo matematico (o elaboratore di dati nel senso più ampio del termine) in cui viene elaborato il valore φΐ della prima armonica della corrente i(t) partendo dai valori di α, φ e φ utilizzando un opportuno set di equazioni o una tabella di dati precalcolati. I segnali δ e φ1 vengono inviati nel sommatore 21 che in uscita genera un segnale Ψ, corrispondente allo sfasamento tra la f.e.m. e la prima armonica della corrente. Quest'ultimo segnale entra nel blocco regolatore 27 che determina l'angolo di accensione "a" dell'interruttore statico. L'uscita a dal blocco 27 è inviata con guella del blocco 22, y, nel blocco 23 che determina l'istante di accensione dell'interruttore statico ovvero controlla il suo "duty cicle" al fine di avere uno sfasamento nullo tra la f.e.m. e la corrente statorica nel motore 1. Ciò in funzione dei valori di a e di 7 che pervengono a tale blocco. Infatti, il blocco 23 riceve in ingresso il valore di a che può essere relativo al segnale di φ e lo riferisce al passaggio per lo zero della tensione di alimentazione ed esegue la chiusura dell'interruttore statico nell'istante considerato. Il metodo e dispositivo di controllo come descritto permette di ottimizzare il funzionamento di un motore sincrono monofase a magneti permanenti in modo semplice ed affidabile sulla base del rilevamento di due grandezze, una legata al motore (la posizione del suo rotore) ed una legata alla sua alimentazione elettrica (la tensione della rete).

Il trovato permette di raggiungere risultati ottimali per quanto riguarda il rendimento del motore ed il valore di corrente circolante in quest'ultimo. Come si può notare dalle figure 2A,2B,2C e 2D, dal confronto tra la figura 2B e quella 2D si evidenzia come il valore di corrente nel motore controllato secondo il trovato risulti sostanzialmente costante ai valori di tensione di rete usuali, mentre in un motore non controllato la corrente cresce sostanzialmente in modo circa lineare al crescere della tensione di rete. Conseguentemente si hanno corrispondenti vantaggi per quel che riguarda il comportamento termico del motore e il suo dimensionamento.

Dal confronto tra la figura 2A e quella 2C infine si evidenzia come il rendimento di un motore elettrico a magneti permanenti controllato con un dispositivo secondo il trovato risulta sostanzialmente costante col crescere della tensione di rete mentre il rendimento di un motore controllato secondo metodologie e con dispositivi noti risulta decrescente con l'aumentare della tensione di rete.

Altre soluzioni possono essere messe a punto sulla base di tre rilevamenti o con l'uso di più sensori; tali altre soluzioni tuttavia sono da considerarsi ricadere nell'ambito del presente trovato.

Il presente trovato è funzionante in presenza di variazioni del carico e della tensione di alimentazione. Nel caso che una di queste due grandezze possa essere considerata costante è possibile mettere a punto un dispositivo semplificato dove possono essere usati valori di a precalcolati della grandezza variabile.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per controllare un motore sincrono monofase a magneti permanenti (1) del tipo alimentato da una nota tensione di alimentazione o di rete ed atto ad ottimizzare i parametri di funzionamento anche in presenza di oscillazioni di tensione o di un carico applicato, caratterizzato dal fatto di comprendere la valutazione dello sfasamento (Ψ) tra la forza elttromotrice o f.e.m. di tale motore e la corrente circolante in esso, tale valutazione essendo effettuata attraverso il rilevamento di almeno due grandezze, una relativa al motore ed una alla sua alimentazione elettrica, in funzione di tale valutazione operandosi sul valore di tale sfasamento (Ψ) in modo da annullarlo.
2. 2. Metodo di cui alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che si valuta la f.e.m. del motore attraverso il rilevamento della posizione del rotore di tale motore.
3. 3. Metodo di cui alla rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che viene valutato lo sfasamento della f.e.m. rispetto alla tensione di rete attraverso il rilevamento del passaggio per lo zero di detta f.e.m. determinato dall'allineamento del rotore con l'asse del flusso statorico.
4. 4. Metodo di cui alla rivendicazione caratterizzato dal fatto che il segnale di corrente è discontinuo, essendo valutato un angolo di spegnimento (7) e di accensione (a) di tale corrente al fine di determinarne lo sfasamento [φ1) rispetto alla tensione di rete di una prima armonica della corrente i(t).
5. 5. Metodo di cui alla rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che lo sfasamento (φΐ) della prima armonica della corrente rispetto alla tensione di rete viene determinato effettuando una elaborazione a partire dagli angoli di spegnimento (7) e di accensione (a) e dello sfasamento (6) della f.e.m. rispetto a tale tensione.
6. 6. Metodo di cui alla rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che l'annullamento dello sfasamento (Ψ) tra la f.e.m. e la prima armonica della corrente circolante nel motore viene attuato operando sull'angolo di accensione (a) di tale corrente.
7. 7. Dispositivo per l'attuazione del metodo di cui alla rivendicazione 1, per il controllo di un motore elettrico sincrono monofase a magneti permanenti (1), comprendente un interruttore statico (5) posto in serie al motore (1), primi mezzi (6) rilevatori della posizione del rotore di tale motore (1) ed almeno secondi mezzi rilevatori (22) per rilevare la tensione sull'interruttore statico, mezzi (4) di controllo e comando della chiusura dell'interruttore statico (5), caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi elaboratori (20) per generare un segnale (δ) corrispondente al valore di sfasamento della f.e.m. rispetto alla tensione di alimentazione, più mezzi di elaborazione (25) atti a generare un segnale ($1) corrispondente allo sfasamento della corrente circolante nel motore (1) rispetto alla tensione di alimentazione, secondi mezzi di confronto (21) atti a confrontare i segnali (δ,φΐ) generati da detti mezzi elaboratori (20) e detti primi mezzi di elaborazione (25) e generanti un segnale di uscita (Ϋ) corrispondente allo sfasamento tra la f.e.m. e la corrente nel motore, detto segnale in uscita (Ψ) essendo inviato a mezzi regolatori (27) ed a mezzi di elaborazione e comando (23) atti a comandare l'interruttore (5) suddetto al fine di averne un ciclo utile di funzionamento tale per cui il segnale di uscita dai secondi mezzi di confronto (21) sia nullo.
8. 8. Dispositivo di cui alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che i mezzi elaboratori (20) sono connessi ad almeno un sensore di posizione (6) atto a rilevare la posizione del rotore del motore elettrico in ogni istante del suo funzionamento .
9. 9. Dispositivo di cui alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che opera su un primo e secondo parametro caratteristico della corrente circolante nel motore e cioè l'angolo di spegnimento (7) e quello di accensione (a) della corrente suddetto.
10. 10. Dispositivo di cui alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che i secondi mezzi di confronto (21) sono un sommatore che sottrae al valore dello sfasamento (δ) della f.e.m. il valore dello sfasamento (ψΐ) della corrente.