ITTO20090339A1 - Sistema di controllo per un impianto elevatore oleodinamico - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Sistema di controllo per un impianto elevatore oleodinamico"
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un sistema dì controllo per un apparato elevatore.
Più specificamente l'invenzione ha per oggetto un sistema di controllo per un impianto elevatore dì tipo oleodinamico che comprende
un cilindro elevatore il cui stantuffo à ̈ accoppiato ad una cabina o simile,
una pompa, la cui mandata à ̈ collegata al cilindro elevatore, e
un motore elettrico accoppiato alla pompa; il sistema di controllo comprendendo un regolatore di velocità associato al motore, per controllare la velocità di movimentazione della cabina, ed essendo predisposto per pilotare detto regolatore di velocità secondo modalità prestabilite, in modo tale per cui la pompa ruoti ad una velocità avente un valore predefinito.
Gli impianti elevatori di tale tipo comprendono una pompa volumetrica, solitamente del tipo a vite .
Le pompe volumetriche a vite presentano un modesto trafilamento del fluido idraulico operatore (olio additivato} che, rapportato alla portata nominale di una tale pompa, risulta in genere trascurabile e incide relativamente poco sulla velocità di crociera della cabina dell'elevatore.
Nei sistemi di tipo tradizionale, la pompa volumetrica lavora sempre alla massima velocità , e la velocità della cabina dell'elevatore à ̈ controllata a mezzo di un gruppo valvolare. Poiché la pompa in tali sistemi opera sempre alla massima velocità , l'effetto del trafilamento dell'olio nella pompa risulta trascurabile, e non pone alcun problema nelle fasi di posizionamento della cabina ad un piano di arrivo. Tali sistemi tradizionali hanno tuttavia 1<1>inconveniente di presentare un rendimento operativo basso. Inoltre, con tali sistemi la velocità della cabina viene ridotta in modo dissipativo, riscaldando in modo eccessivo il fluido idraulico operatore. Inoltre, quando la cabina à ̈ movimentata in discesa, la sua energia potenziale viene pressoché interamente dissipata in calore nel fluido operatore, aggravando ulteriormente i problemi che derivano dalla temperatura di tale fluido, richiedendo talvolta l'utilizzo di uno scambiatore di calore di raffreddamento, intrinsecamente costoso, e determinando uno scadimento del bilancio energetico complessivo.
Per migliorare il rendimento operativo di un impianto elevatore di tale tipo, sia nella movimentazione in salita, sia nella movimentazione in discesa, à ̈ noto di controllare la velocità della cabina controllando la velocità di rotazione del motore associato alla pompa, ad esempio tramite un inverter. In questo modo, la velocità della cabina à ̈ controllata variando la velocità di rotazione della pompa che, essendo di tipo volumetrico, varia allora la propria portata, con il vantaggio che alla rete elettrica di alimentazione viene così richiesta la sola potenza elettrica necessaria alla movimentazione della cabina stessa.
Con questi sistemi, si ha peraltro 1'inconveniente che alle basse velocità di rotazione della pompa, in particolare nelle fasi di posizionamento della cabina ad un piano di arrivo, il trafilamento di fluido idraulico nella pompa incide in modo rilevante sulla velocità della cabina. In effetti, la velocità Vcdella cabina à ̈ data dalla relazione seguente :
V =K ^
dove K à ̈ una costante (rapporto di trasmissione dell'impianto) , Qcà ̈ la portata della pompa e Spà ̈ l'area della sezione trasversale dello stantuffo del cilindro elevatore.
La portata Qcdella pompa à ̈ legata alla velocità ω del motore dalla relazione:
Q0= kaj-cQ,
dove k à ̈ un coefficiente dì proporzionalità , tipico della pompa, Qtà ̈ la portata di trafilamento della pompa, e c à ̈ uguale ad 1 nella marcia in salita, ed a -1 nella marcia in discesa.
Dalla relazione sopra riportata si vede subito che quando la velocità ω del motore, e della pompa, à ̈ ridotta, la portata della pompa Q0si riduce in modo proporzionale, ma il termine Qtdiviene percentualmente molto più pesante.
Il peso della portata di trafilamento della pompa alle basse velocità può inficiare il controllo del posizionamento della cabina. Infatti, il posizionamento della cabina ad un piano di arrivo avviene a velocità pari a circa 1/6-1/10 della velocità di crociera. In tali condizioni la portata di trafilamento Qtrisulta dello stesso ordine di grandezza della portata Q0, e si ha allora un elevato rìschio che il posizionamento della cabina si realizzi in modo estremamente lento, o divenga addirittura impossibile.
Uno scopo della presente invenzione à ̈ di proporre un sistema dì controllo per un impianto elevatore oleodinamico che consenta il recupero ovvero la compensazione del trafilamento del fluido idraulico operatore nella pompa, in particolare nelle fasi di posizionamento della cabina.
Questo ed altri scopi vengono realizzati secondo l'invenzione con un sistema di controllo del tipo specificato in precedenza, caratterizzato dal fatto che esso à ̈ predisposto per pilotare il sistema di regolazione di velocità in modo tale per cui al motore della pompa viene applicata un'alimentazione di tensione ad una frequenza avente un valore corrispondente al suddetto valore predefinìto di velocità , incrementato di una quantità che à ̈ una funzione predeterminata della pressione di esercizio della pompa, in modo tale da compensare almeno in parte l'effetto del trafilamento del fluido idraulico operatore nella pompa.
In un modo di realizzazione, detta quantità od incremento della frequenza dell'alimentazione viene determinato secondo una funzione prestabilita dell'intensità della corrente elettrica fluente nell'avvolgimento o negli avvolgimenti del motore, convenientemente rilevabile in detto regolatore di velocità .
In un altro modo di realizzazione, la suddetta quantità od incremento della frequenza dell'alimentazione viene determinato secondo una funzione prestabilita della pressione di esercizio della pompa, rilevata a mezzo di un sensore elettrico di pressione.
Convenientemente, la suddetta quantità od incremento della frequenza dell'alimentazione può essere inoltre determinato anche in funzione della temperatura istantanea del fluido idraulico operatore, rilevabile ad esempio a mezzo di un apposito sensore elettrico.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento al disegno allegato (figura 1) che mostra uno schema di un impianto elevatore oleodinamico cui à ̈ associato un sistema di controllo secondo la presente invenzione.
Il sistema di controllo secondo l'invenzione à ̈ applicabile ad esempio all'apparato elevatore oleodinamico 1 il cui schema generale à ̈ rappresentato nella figura 1.
Tale apparato elevatore 1 comprende una cabina (o simile) 2, operativamente spostabile fra una pluralità di livelli o piani.
L'apparato elevatore 1 Ã ̈ azionabile a mezzo di un motore elettrico 3, ad esempio un motore in corrente alternata trifase del tipo ad induzione, il cui albero 3a aziona in rotazione una pompa idraulica 4. Il motore 3 e la pompa 4 sono solitamente montati immersi nel fluido idraulico operatore 20 contenuto in un serbatoio o tanica 21.
La pompa 4 à ̈ una pompa volumetrica, ad esempio del tipo a vite, e la sua mandata alimenta un flusso dì fluido idraulico operatore in pressione ad un cilindro elevatore 5, il cui stelo di stantuffo 5a reca all'estremità superiore una puleggia 6. La puleggia 6 à ̈ girevole intorno ad un asse orizzontale 6a, e intorno ad essa à ̈ rinviata una fune 7 che ha un'estremità 7a vincolata ad un punto stazionario 8, e l'altra estremità 7b connessa alla cabina.
Il sistema di controllo secondo la presente invenzione à ̈ peraltro applicabile ad impianti elevatori oleodinamici di configurazione diversa da quella sopra descritta.
All'impianto elevatore oleodinamico 1 Ã ̈ associato un sistema di controllo, complessivamente indicato con 10.
Tale sistema comprende un gruppo regolatore dì velocità 11, associato al motore 3 per controllare la velocità di movimentazione della cabina 2, un gruppo valvolare elettroidraulico 12 collegato alla pompa 4 ed al cilindro elevatore 5, ed un'unità elettronica di controllo 13, predisposta per pilotare il regolatore di velocità 11 e il gruppo elettroidraulico 12 (ed altri dispositivi non rappresentati) secondo modalità prestabilite.
Nella realizzazione esemplificativamente illustrata il gruppo regolatore di velocità 11 comprende un inverter 14, il cui lato in c.c. à ̈ collegato all'uscita di un dispositivo raddrizzatore (convertitore a.c./d.c.) 15, e il cui lato in c.a. à ̈ collegato ai terminali di alimentazione del motore elettrico 3.
Il dispositivo raddrizzatore 15, che può essere monofase o polifase, reversìbile o meno, ha il lato in c.a. collegato ad una sorgente di tensione di alimentazione in corrente alternata, quale la rete elettrica di distribuzione in c.a..
Il lato in c.c. del dispositivo raddrizzatore 15 à ̈ collegato all'ingresso dell'inverter 14 a mezzo di una linea o bus in c.c., indicato con 16. Una batterìa di condensatori di stabilizzazione della tensione à ̈ convenientemente inserita in parallelo a tale linea o bus.
Il gruppo regolatore di velocità 11 à ̈ corredato di almeno un rilevatore di corrente 17, ad esempio interno all<1>inverter 14, e collegato all'unità elettronica di controllo 13.
In una variante, di cui si dirà più avanti, in luogo di un tale rilevatore si può utilizzare un sensore di corrente inserito su un conduttore della linea o bus 16, quale il sensore illustrato a tratteggio, e parimenti indicato con 17, nella figura 1.
L'unità 13 à ̈ inoltre collegata ad ingressi di controllo dei convertitori 14 e 15, nonché ad ingressi di controllo del gruppo valvolare elettroidraulico 12.
L'unità elettronica di controllo 13 à ̈ predisposta per pilotare il regolatore di velocità 11 secondo modalità prestabilite.
Il controllo attuato dall'unità elettronica 13, in particolare nelle fasi di posizionamento della cabina 2 ad un piano di arrivo, à ̈ attuato sulla base delle considerazioni che seguono.
La velocità di rotazione del motore 3, e quindi della pompa 4 à ̈ una funzione della frequenza f della o delle tensioni di alimentazione dello stesso, ed à ̈ controllata tramite il regolatore 11: la compensazione degli effetti del trafilamento del fluido idraulico operatore nella pompa viene ottenuta incrementando la frequenza f di una quantità cft, secondo la relazione seguente:
/ n f r~ \
fu = f<+ c>f = f cf0(1)
\<O>/ /
dove
fMÃ ̈ la frequenza di alimentazione del motore 3 corretta ai fini della compensazione del trafilamento nella pompa,
f à ̈ la frequenza di alimentazione del motore 3 in assenza di traiìlamento,
ftà ̈ la componente di frequenza per la compensazione dell’effetto del trafilamento nella pompa 4,
c à ̈ uguale ad un 1 nella marcia in salita, e a -1 per la marcia in discesa,
fcà ̈ l'incremento della frequenza di alimentazione dovuto al trafilamento dell'olio nella pompa ad una pressione di riferimento P0e ad una temperatura di riferimento TQ,
Pi à ̈ la pressione di esercizio della pompa 4,
Ti à ̈ la temperatura di esercizio del fluido idraulico operatore, e
α, β sono esponenti caratteristici della pompa, determinati sperimentalmente.
La frequenza f0si determina sperimentalmente {una tantum) in base alla relazione:
v<r>PD - V<r>PS
/.=/<■>V<Y>PD ~v<y>PS r„.r..
ove
f à ̈ la frequenza di alimentazione dell†̃inverter 14;
VPDà ̈ la velocità di posizionamento al piano della cabina in discesa, in assenza dì compensazione del trafilamento, e
Vpsà ̈ la velocità di posizionamento al piano della cabina in salita, in assenza dì compensazione del trafilamento.
Quanto sopra vale se gli effetti del trafilamento nella pompa 4 possono ritenersi sostanzialmente uguali in salita e in discesa . Se però così non fosse, si opera nel modo seguente:
si calcolano :
foD<~>f<'>
ove
VPà ̈ la velocità di posizionamento teorica (desiderata) della cabina; e
in luogo della relazione (1) sopra riportata, si utilizzano allora le relazioni seguenti:
f fL, - / fa (la)
f -fm = f<~>fc (lb)
e in salita e, rispettivamente, in discesa al motore 3 si applicano le frequenze di alimentazione fMSe, rispettivamente, fra).
Con riferimento alle relazioni {1}, (la) e (lb) , la temperatura istantanea Ti del fluido idraulico operatore può essere determinata facilmente, ed a basso costo, mediante un sensore di temperatura 18 collegato all'unità elettronica di controllo 13.
La temperatura di riferimento T0può essere misurata con tale sensore, con la cabina 2 a vuoto, e a fluido idraulico operatore freddo {temperatura ambiente di riferimento) .
Il rilevamento della pressione di esercizio Pi può essere attuato molto semplicemente, ma ad un costo relativamente elevato, a mezzo di un sensore elettrico di pressione 19, associato all'uscita od all'ingresso del gruppo valvolare elettroidraulico 12. La pressione P0può essere determinata a cabina vuota .
Acquisiti i valori di riferimento TQe P0, ed acquisiti i valori istantanei Pi e Tlyl'unità elettronica di controllo 13 à ̈ in grado di determinare l'incremento della frequenza di alimentazione (ovvero di velocità del motore) che secondo la relazione (!) o le relazioni (la) od (lb) sopra ripor-tate, à ̈ atto a compensare l’effetto del trafilamento del fluido operatore nella pompa 4.
In un modo alternativo a quello sopra descritto, la pressione di esercizio Pi della pompa 4 può essere determinata più economicamente ed efficacemente nel modo seguente.
Si à ̈ rilevato che la pressione di esercizio Pi della pompa 4 à ̈ sostanzialmente proporzionale alla coppia resistente all 'albero 3a del motore 3, la quale à ̈ a sua volta proporzionale all'intensità della corrente elettrica I negli avvolgimenti di tale motore, à ̈ pertanto possibile esprimere la relazione seguente:
P, = k,F (2) ove kjà ̈ una costante tipica dello specifico gruppo motore/pompa, determinabile sperimentalmente, X à ̈ la corrente nel motore 3, e γ à ̈ un esponente determinabile sperimentalmente sulla base dello specifico motore utilizzato e della modalità adottata per il suo controllo.
Per un motore elettrico sincrono a magneti permanenti (motore brushless) e per un motore elettrico asincrono (motore a induzione) controllato in modo "fìeld-oriented" , si ha γ=1, e I=Iq, ove Iqà ̈ la corrente in quadratura nelle variabili d'asse nel sistema di riferimento del campo magnetico rotante .
Per un motore elettrico asincrono alimentato ad anello aperto si ha γ=2, e I à ̈ il modulo del vettore rotante che rappresenta la corrente nel motore .
Per altri tipi di motori i valori di γ e I sono determinabili analiticamente o sperimentalmente, ma vale comunque per essi la relazione (2) più sopra riportata.
Orbene, nella variante di attuazione ora descritta la compensazione dell'effetto del trafilamento dell'olio nella pompa 4 al variare del carico della cabina dell'elevatore avviene ancora essenzialmente applicando la relazione (1) o le relazioni (la), (lb): l'unità elettronica di controllo 13 acquisisce dal sensore 17 un segnale indicativo dell'intensità della corrente nel motore 3, e assume come corrente di riferimento I0il valor minimo della corrente rilevata in un numero predeterminato di corse della cabina 2. L'unità 13 calcola quindi l'incremento di frequenza sulla base della relazione (1), o delle relazioni (la), (lb), ove la pressione di esercizio Pi della pompa 4 viene determinato sulla base della relazione (2).
Come si à ̈ già accennato in precedenza, in luogo di un rilevatore della corrente fluente nell'avvolgimento o negli avvolgimenti del motore 3 può essere usato un sensore di corrente inserito su uno dei conduttori della linea o bus 16, come à ̈ mostrato a tratteggio nel disegno.
In tal caso, la corrente così rilevata (corrente continua nel bus 16) risulta proporzionale alla potenza erogata dal motore 3 piuttosto che alla coppia da questo sviluppata. Tuttavia l'unità 13 può essere predisposta per utilizzare comunque tale informazione di corrente: infatti, la coppia sviluppata dal motore à ̈ proporzionale al rapporto fra l'intensità I della corrente continua nel bus 16 e la velocità di rotazione ω di tale motore. L'unità 13, acquisita l’intensità I, può determinare la coppia sviluppata dal motore in quanto tale unità conosce la velocità dì rotazione del motore, che à ̈ legata alla frequenza di alimentazione secondo funzioni note che dipendono dal tipo di motore.
Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione e i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto à ̈ stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione come definito nelle annesse rivendicazioni.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI l. Sistema di controllo (10) per un impianto elevatore oleodinamico (1) che comprende un cilindro elevatore (5) il cui stantuffo (5a) à ̈ accoppiato ad una cabina (2) o simile, una pompa (4) la cui mandata à ̈ collegata al cilindro elevatore (5), e un motore elettrico (3) accoppiato alla pompa (4); il sistema di controllo comprendendo un regolatore di velocità (11) associato al motore (3) per controllare la velocità di movimentazione della cabina (2), ed essendo predisposto per pilotare il regolatore di velocità (11) secondo modalità prestabilite, in modo tale per cui la pompa {4} ruota ad una velocità avente un valore predefinito (W); il sistema di controllo (10) essendo caratterizzato dal fatto che esso à ̈ predisposto per pilotare il regolatore di velocità (il) in modo tale per cui al motore (3) della pompa (4) viene applicata una frequenza di alimentazione (f) avente un valore corrispondente a detto valore predefinito di velocità (ω), incrementato di una quantità (cft; fts, ftp) che à ̈ una funzione predeterminata della pressione di esercizio (Pi) della pompa (4), in mo do tale da compensare almeno in parte l'effetto del trafilamento del fluido idraulico operatore nella pompa (4) .
- 2. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 1, in cui detta quantità o incremento della frequenza di alimentazione (cft; ft3, fto) à ̈ determinato secondo una funzione prestabilita dell'intensità della corrente elettrica (I) fluente nel motore (3), rilevata preferibilmente in detto regolatore dì velocità (il).
- 3. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 1, in cui detta quantità o incremento di frequenza di alimentazione {cft; fC3, ftD) à ̈ determinato secondo una funzione prestabilita della pressione di esercizio (PJ della pompa (4), rilevata a mezzo di un sensore elettrico di pressione (19).
- 4. Sistema di controllo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta quantità o incremento di frequenza di alimentazione {cft; fcs, ftD) à ̈ determinato secondo una funzione prestabilita del rapporto fra l'intensità istantanea (I) della corrente fluente nel motore (3) e un'intensità di riferimento (ID) predefinita.
- 5. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 4, in cui detta intensità di riferimento <I0) à ̈ definita come il valore minimo assunto dalla corrente (I) fluente nel motore (3) in un numero predeterminato di corse della cabina (2).
- 6. Sistema dì controllo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta quantità o incremento frequenza di alimentazione (cft; fts, fto) à ̈ determinato anche in funzione della temperatura (Ti) del fluido idraulico operatore.
- 7. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 6, in cui la temperatura (Ti) del fluido idraulico operatore à ̈ rilevata a mezzo di un sensore elettrico di temperatura (18).
- 8. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 6 o 7, in cui detta quantità o incremento dì velocità (cwt) à ̈ determinato secondo una funzione prestabilita del rapporto fra la temperatura istantanea (Ti) del fluido idraulico operatore e una temperatura di riferimento (T0) predefinita.
- 9. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 8, in cui detta temperatura di riferimento (T0) Ã ̈ la temperatura del fluido idraulico operatore rilevata in assenza di carico in cabina.
- 10. Sistema di controllo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'incremento della frequenza di alimentazione (cfc; fts, fto) à ̈ positivo nella marcia in salita, ed à ̈ negativo nella marcia in discesa; i valori assoluti di detto incremento per la marcia in salita e per la marcia in discesa potendo essere diversi fra loro.
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