ITPD20090283A1 - Metodo per il controllo di un motore elettrico - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Campo di applicazione

La presente invenzione è generalmente applicabile al settore tecnico degli azionamenti elettrici per motori, ed ha particolarmente per oggetto l’azionamento elettrico di un motore trifase.

Più in dettaglio, la presente invenzione si riferisce ad un metodo di controllo di un motore elettrico mediante un inverter trifase che implementa una tecnica di modulazione a larghezza di impulso per la generazione si un segnale elettrico trifase con il quale alimentare e controllare il motore.

Stato della Tecnica

L'azionamento elettrico può essere considerato come un particolare sistema che converte l'energia elettrica che riceve in ingresso, in energia meccanica in uscita. Tale conversione avviene in genere mediante l'uso di elettronica di potenza che comanda un motore elettrico per ottenerne un comportamento desiderato.

I motori elettrici possono essere di vario tipo. In particolare, tra essi si distinguono i motori elettrici alimentati con tensione elettrica alternata. Tra questi vi sono i motori elettrici trifase, ossia motori che sono alimentati da una tensione elettrica trifase fornita da un apposito circuito.

Gli azionamenti elettrici trifase richiedono una tensione trifase modulata da fornire al motore, cioè con l’ampiezza e la frequenza regolabili. A tal fine si usa un circuito elettrico, anche detto inverter, in cui sono presenti degli interruttori comandati periodicamente e alternativamente a coppie, il cui ingresso è una tensione costante e l’uscita è una tensione che sarà alternativamente positiva e negativa.

Variando il periodo di commutazione è possibile variare la frequenza deN’onda. Se a monte deH’inverter si pone un circuito elettrico che varia la tensione di ingresso continua, è possibile variare l’ampiezza deN’onda.

Lo schema di principio di un inverter 1 è mostrato in fig. 1. Gli interruttori 3, possono essere, ad esempio, del tipo a IGBT. Gli interruttori 3a, 3b e 3c fanno parte del semiponte superiore e si occupano della generazione delle semionde positive del segnale elettrico trifase, mentre gli interruttori 3d, 3e, 3f fanno parte del semiponte inferiore e si occupano della generazione delle semionde negative. I due interruttori 3a, 3d o 3b, 3e o 3c, 3f che intervengono sulla stessa fase del motore formano una gamba dell'inverter e non devono mai chiudersi contemporaneamente altrimenti si avrà un corto circuito e, quindi, la distruzione dei dispositivi elettronici.

Per assicurare che il motore M lavori con regimi regolari e, nel contempo, che esso sia sottoposto al miglior controllo possibile, è importante che i segnali elettrici che lo alimentano e controllano sia il più possibile precisi e comprendenti un’unica armonica. In altre parole, il miglior segnale elettrico monofase utilizzabile è una sinusoide e, di conseguenza, il miglior segnale elettrico trifase è la sovrapposizione di tre sinusoidi sfalsate tra loro di 120°.

Al contrario di quanto appena espresso, le tensioni generate dagli inverter noti hanno un contenuto armonico spesso intollerabile per i motori.

Per superare tale inconveniente, sono noti inverter nei quali ogni ramo è pilotato in modo complementare ad una frequenza elevata ed in cui il rapporto di intermittenza di commutazione degli interruttori varia con legge sinusoidale. In questo modo si ottiene una tensione alternata con armoniche quasi esclusivamente ad alta frequenza che quindi vengono filtrate naturalmente dal motore. Tali armoniche, quindi, sono tollerate dal motore senza che vi siano conseguenze sui regimi di funzionamento dello stesso.

In tale ottica, l'inverter più usato per l'alimentazione di motori autosincroni è quello a modulazione della larghezza degli impulsi, detto anche inverter PWM (Pulse Width Modulation). Tale tecnica di modulazione riduce il contenuto armonico alle basse frequenze e consente la regolazione della tensione in uscita. Ne consegue che i motori così alimentati lavorano a regimi particolarmente regolari.

Tuttavia, è anche noto che con tale tecnica il controllo degli impulsi è più complicato. Più in dettaglio, gli interruttori devono commutare con una maggiore frequenza è ciò provoca un loro surriscaldamento.

È evidente che il suddetto surriscaldamento non è solo indice di un problema di calore, ma anche di elevati consumi elettrici, ossia di elevata dispersione di energia elettrica.

In un inverter, infatti, una parte della potenza energetica dispersa è dovuta alla commutazione degli interruttori. Tanto più alta è la velocità di commutazione, tanto maggiore sarà la dispersione. Poiché, come detto, con un inverter a modulazione di larghezza di impulsi gli interruttori devono commutare con maggiore frequenza, è evidente come il consumo elettrico di tali inverter sia superiore a quelli che non utilizzano tale tecnica.

Presentazione dell’invenzione

Scopo del presente trovato è quello di superare almeno parzialmente gli inconvenienti sopra riscontrati, mettendo a disposizione un metodo per il controllo di un motore, particolarmente un motore trifase, che sia particolarmente efficiente rispetto ai metodi comunemente utilizzati nell’arte nota.

Più in dettaglio, uno scopo della presente invenzione è di fornire un metodo per il controllo di un motore che consenta di ottenere che il motore lavori in regimi regolari pur assicurandone un controllo il più preciso possibile.

Un altro scopo dell’invenzione è che il metodo proposto consenta di diminuire le perdite energetiche del circuito di controllo del motore.

Tali scopi, nonché altri che appariranno più chiaramente nel seguito, sono raggiunti da un metodo per il controllo di un motore elettrico in accordo con la rivendicazione principale. Forme di realizzazione vantaggiose dell’invenzione sono definite anche in accordo con le rivendicazioni dipendenti.

Secondo l’invenzione, il metodo potrà essere implementato da un circuito elettrico comprendente almeno inverter trifase che potrà essere provvisto di almeno tre coppie di interruttori suscettibili di eseguire una modulazione a larghezza di impulso mediante una sequenza di commutazioni.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione, tali coppie di interruttori potranno essere collegate elettricamente in parallelo tra loro e gli interruttori di ciascuna coppia potranno essere collegati tra loro elettricamente in serie.

Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, il metodo potrà comprendere una fase di determinazione del periodo del segnale elettrico trifase che l’inverter deve generare per controllare il motore elettrico ed una fase in cui tale pendo viene suddiviso in una pluralità di porzioni.

In particolare, lo stesso metodo potrà comprendere anche una fase nella quale in corrispondenza di ciascuna porzione verrà eseguita la modulazione a larghezza di impulso da almeno due delle almeno tre coppie di interruttori, mentre almeno la terza coppia potrà presentare un interruttore chiuso e l’altro interruttore aperto.

Si deduce subito che una tale configurazione potrà consentire di limitare il numero complessivo di commutazioni degli interruttori dell’inverter poiché in corrispondenza di ogni porzione di periodo vi saranno almeno due interruttori che non commuteranno ma conserveranno la loro configurazione.

Di conseguenza, è diminuito la perdita di energia elettrica dovuta alle commutazioni degli interruttori.

Secondo un altro aspetto dell'invenzione, ciascuna coppia di interruttori potrà essere dedicata alla generazione di una delle tre onde del segnale elettrico trifase da generare.

Opportunamente, la terza coppia di interruttori potrà essere dedicata alla generazione deM’onda, tra le tre onde del segnale elettrico trifase da generare, che in nella porzione di periodo in corso presenta il valore assoluto maggiore.

In altre parole, la coppia di interruttori che si occupa dell’onda che nella porzione di periodo in corso è più prossima al picco massimo o al picco minimo potrà mantenere la propria configurazione fissa fornendo, in valore assoluto, la tensione massima in uscita come approssimazione del picco della sinusoide nello stesso periodo.

Se da un lato tale scelta induce la nascita di armoniche sul segnale elettrico generato per alimentare il motore, dall’altro si deve anche notare che tali armoniche sono comunque a frequenze elevate che, come anticipato, vengono filtrate naturalmente dal motore. Tali armoniche sono quindi tollerate dal motore come quelle che si generano normalmente con la modulazione a larghezza di impulso.

Breve descrizione dei disegni

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di alcune forme di realizzazione preferite ma non esclusive di un metodo per il controllo di un motore elettrico secondo l'invenzione, illustrate a titolo di esempio non limitativo con l'ausilio delle unite tavole di disegno in cui:

la FIG. 1 rappresenta uno schema elettrico di un circuito di controllo di un motore suscettibile di implementare il metodo dell’invenzione;

la FIG. 2 rappresenta, in una tabella, il funzionamento di alcuni componenti del circuito elettrico di FIG. 1 secondo il metodo dell’invenzione.

Descrizione dettagliata di un esempio di realizzazione preferito Con riferimento alla fig. 1 , si descrive un metodo per il controllo di un motore elettrico M.

Come anticipato, il controllo del motore M avviene controllandone l'alimentazione che, a sua volta, viene opportunamente generata da uno o più inverter 1 a loro volta alimentati con una tensione elettrica continua Vcc.

Nel caso di un motore M trifase, come rappresentato nelle figure, anche l’inverter 1 è trifase e, in tal senso, esso comprende almeno tre coppie 2 di interruttori 3 suscettibili di eseguire una modulazione a larghezza di impulso mediante una sequenza di commutazioni.

Secondo un aspetto dell'invenzione, le coppie 2 di interruttori 3 sono collegate elettricamente in parallelo tra loro, mentre gli interruttori 3 di ciascuna coppia 2 sono collegati tra loro elettricamente in serie.

In figura si osserva che il collegamento di ciascun avvolgimento A del motore trifase M ali’inverter 1 avviene in un punto intermedio 4 del collegamento in serie della rispettiva coppia 2 di interruttori 3.

Operativamente, secondo un aspetto dell’invenzione vi è una fase nella quale viene determinato il periodo del segnale elettrico trifase che l’inverter 1 deve generare perché il motore M lavori al regime desiderato.

Secondo un altro aspetto dell'invenzione, vi è una fase successiva durante la quale tale periodo viene suddiviso in una pluralità di porzioni in ciascuna delle quali ciascun interruttore 3 viene comandato opportunamente per ottenere il segnale elettrico trifase desiderato.

Come noto, ciascuna coppia 2 di interruttori 3 è dedicata alla generazione di una delle tre onde del segnale elettrico trifase da generare.

Più in dettaglio, in ciascuna coppia 2 di interruttori 3 vi è un primo interruttore 3a, 3b, 3c, dedicato alla generazione della semionda positiva della corrispondente fase del segnale elettrico trifase, ed il secondo interruttore 3d, 3e, 3f, è dedicato alla generazione della semionda negativa.

Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, in ciascuna porzione di periodo almeno due delle coppie 2 di interruttori 3 eseguono la modulazione a larghezza di impulso esattamente come noto allo stato dell’arte, mentre almeno una terza coppia di interruttori 3 presenta un interruttore chiuso e l’altro aperto.

È evidente che tale scelta, che congela le commutazioni di almeno due interruttori 3 per una porzione di periodo, consente di diminuire il numero complessivo di commutazioni degli interruttori 3 dell’inverter 1 rispetto a quanto accade nell'arte nota. In altre parole, per ogni porzione di periodo, come esemplificato nella tabella di fig. 2 dove le porzioni di periodo sono indicate con T1..T6, vi sono due interruttori che non commutano.

Secondo un altro aspetto dell'invenzione, la terza coppia di interruttori 3 è la coppia dedicata alla generazione dell’onda, tra le tre onde del segnale elettrico trifase da generare, che nella porzione di periodo in corso presenta il valore assoluto maggiore.

Come anticipato in precedenza, ciò significa che la coppia di interruttori 3 che si occupa dell’onda che nella porzione di periodo in corso è più prossima al picco massimo o al picco minimo, mantiene la propria configurazione senza commutare fornendo al rispettivo avvolgimento A del motore M per tutta la porzione di periodo la tensione di picco, positiva o negativa, come approssimazione del picco della sinusoide nella stessa porzione.

Se da un lato tale scelta induce la nascita di armoniche sul segnale elettrico generato per alimentare il motore M, dall'altro si deve anche notare che tali armoniche sono comunque a frequenze elevate e vengono quindi filtrate dal motore M stesso senza provocare disturbi sul suo regime di funzionamento.

Secondo un altro aspetto dell'invenzione, poiché il motore M da pilotare è trifase, le coppie 2 di interruttori 3 sono tre. Ciascuna coppia 2 si occupa di una fase del segnale elettrico da fornire al motore e, nella coppia 2, ciascun interruttore 3 si occupa della generazione di una semionda della fase. Da ciò si deduce che una configurazione possibile del metodo dell'invenzione prevede che il periodo sia suddiviso in porzioni corrispondenti ad un angolo di rotazione sostanzialmente di 60° del vettore rotante che descrive una qualsiasi delle onda del segnale elettrico trifase da generare.

In fig. 1 , da intendersi non limitativa per differenti forme di esecuzione, si nota anche la presenza di una pluralità di diodi 5 ciascuno collegato elettricamente in parallelo ad un rispettivo interruttore 3.

Tali diodi 5 sono detti diodi di ricircolo e consentono il passaggio della corrente di alimentazione negli istanti di commutazione degli interruttori 3.

Per quanto detto, il metodo dell’invenzione raggiunge tutti gli scopi prefissati.

In particolare, esso consente di superare almeno parzialmente gli inconvenienti dell’arte nota consentendo di controllare con efficacia un motore al fine di farlo lavorare in regimi regolari grazie all'uso di una tecnica di generazione del segnale elettrico di alimentazione utilizzante la modulazione a modulazione di larghezza di impulso..

Nel contempo, il metodo proposto consnte di limitare le perdite energetiche dell'inverter trifase utilizzato per la suddetta modulazione e caratteristiche dei metodi noti.

Il metodo secondo l'invenzione è suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nel concetto inventivo espresso nelle rivendicazioni allegate. Tutti i particolari potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti senza uscire dall'ambito dell'invenzione.

Anche se il metodo è stato descritto con particolare riferimento alle figure allegate, i numeri di riferimento usati nella descrizione e nelle rivendicazioni sono utilizzati per migliorare l'intelligenza del trovato e non costituiscono alcuna limitazione all'ambito di tutela rivendicato

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un metodo per il controllo di un motore elettrico (M) eseguibile da almeno un inverter (1) che comprende almeno tre coppie (2) di interruttori (3) suscettibili di eseguire una modulazione a larghezza di impulso mediante una sequenza di commutazioni, dette coppie (2) di interruttori (3) essendo collegate elettricamente in parallelo tra loro e gli interruttori (3) di ciascuna coppia (2) essendo collegati tra loro elettricamente in serie, il metodo comprendendo le seguenti fasi: - determinare il periodo del segnale elettrico che detto inverter (1) deve generare per controllare un motore elettrico (M); suddividere detto periodo in una pluralità di porzioni (T1 , T2, T3, T4, T5, T6); eseguire, in ciascuna di dette porzioni (T1 , T2, T3, T4, T5, T6) di detto periodo, la modulazione a larghezza di impulso con le commutazioni di almeno due di dette almeno tre coppie (2) di interruttori (3), almeno una terza coppia di dette almeno tre coppie (2) di interruttori (3) presentando un interruttore (3a, 3b, 3c) chiuso e l'altro interruttore (3d, 3e, 3f) aperto in modo da limitare il numero complessivo di commutazioni di detti interruttori (3) di detto inverter (1)· 2. Metodo secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che ciascuna detta coppia (2) di interruttori (3) è dedicata alla generazione di una delle tre onde di un segnale elettrico trifase da generare. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detta terza coppia di interruttori (3) è la coppia (2) dedicata alla generazione dell'onda, tra le onde del segnale elettrico da generare, che in detta porzione (T1 , T2, T3, T4, T5, T6) di periodo presenta il valore assoluto maggiore. 4. Metodo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che in detta terza coppia di interruttori (3) un primo interruttore (3a, 3b, 3c) è dedicato alla generazione della semionda positiva di detta onda tra le dette onde di detto segnale da generare ed un secondo interruttore (3d, 3e, 3f) è dedicato alla generazione della semionda negativa di detta onda tra le dette onde di detto segnale da generare. 5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una pluralità di diodi di ricircolo (5) ciascuno collegato elettricamente in parallelo ad uno rispettivo di detti interruttori (3). 6. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta porzione (T1, T2, T3, T4, T5, T6) di periodo corrisponde ad un angolo di rotazione sostanzialmente di 60° del vettore rotante che descrive detta onda tra dette onde di detto segnale elettrico da generare.