PT1673854E - DISPOSITIVO DE RECTIFICAÃáO SNCRONA E MáQUINA ELéCTRICA SNCRONA PARA IMPLEMENTAR O MESMO - Google Patents

Description

ΡΕ1673854 1 DESCRIÇÃO "DISPOSITIVO DE RECTIFICAÇÁO SÍNCRONA E MÁQUINA ELÉCTRICA SÍNCRONA PARA IMPLEMENTAR O MESMO" 0 invento diz respeito a um dispositivo de rectificação síncrona tipo ponte em H (10) que alimenta uma máquina eléctrica síncrona. O invento diz respeito também a uma máquina eléctrica síncrona polifásica prevista para trabalhar em modo motor e em modo gerador, por exemplo um alterno-arrancador de veículo automóvel.

Uma máquina eléctrica síncrona polifásica, por exemplo um motor de resistência magnética variável, comporta (ver na figura 1) um rotor 1, um íman permanente ou equivalente, solidário com um eixo 2 controlado em rotação angular, e um estator 3 tendo uma pluralidade de pólos salientes 4 opostos dois a dois e correspondendo às fases da máquina. A estrutura ferro magnética do estator comporta bobinas 5 alimentadas em corrente eléctrica para induzir um campo magnético orientando o rotor. A alimentação em corrente eléctrica das bobinas, geralmente uma bateria 20, cuja saída é filtrada por um filtro 30 delimitado por uma linha fechada descontínua 2 ΡΕ1673854 comportando um self 350 e um condensador 360, é controlada separadamente em cada bobina graças a um dispositivo de rectificação sincrona comportando uma ponte em H 10 situada entre a bateria e a massa de maneira a criar um campo giratório accionando o rotor à mesma velocidade dita de sincronismo. A ponte em H delimitada por uma linha fechada descontinua comporta duas ligações eléctricas paralelas 11 e 12 comportando dois interruptores electrónicos 21, 31 e 22, 32, separados por um ponto médio 13 e 14, os pontos médios 13 ou 14 destas ligações estando ligados entre si pela bobina 5 de uma fase da máquina.

Numa forma de realização corrente da ponte em H, geralmente retida devido à sua simplicidade, os interruptores podem ser transístores 23, 34 e diodos 33, 24, como no exemplo da figura 1, os diodos e os transístores estando situados em diagonal.

Os transístores 23, 34 são comandados por um circuito electrónico 40 para autorizar a passagem de corrente na bobina 5 enquanto que os díodos 33, 24 agem como interruptores espontâneos e permitem absorvem energia armazenada na referida bobina. Este tipo de funcionamento é dito assíncrono.

Mas os díodos, que apresentam correntes de fugas importantes, arrastam uma perda de energia não desprezável, 3 ΡΕ1673854 mesmo na paragem, e o rendimento global da máquina pode encontrar-se limitado até 85%.

Além disso, os interruptores são previamente determinados para serem sempre comandados ou serem sempre "espontâneos", e as perdas de energia na ponte em H encontram-se desequilibradas, o que prejudica a fiabilidade da máquina.

Um alterno-arrancador é, por exemplo, constituído por uma máquina síncrona de resistência magnética variável comportando uma ponte em H e podendo trabalhar em modos gerador e motor, segundo os comandos síncronos e assíncronos que são sucessivamente impostos aos interruptores 21, 22, 31, 32.

Comandado em gerador, ele transforma uma parte da energia mecânica disponível no veio do motor em energia eléctrica para alimentar a instalação eléctrica do veículo e recarregar a bateria através de díodos, portanto em modo assíncrono.

Comandado em motor, ele transforma a energia eléctrica disponível na bateria, em energia mecânica para alimentar o motor térmico do veículo, em cujo caso ele assegura a função de arrancador, seja para o ajudar a frio, seja para executar a função dita "pára/arranca" de paragens e re-arranques frequentes, nomeadamente na cidade. 4 ΡΕ1673854

Neste último caso, são sobretudo os transístores, comandados em modo síncrono, que transmitem a energia da bateria às bobinas do estator, ocasionalmente, e durante períodos curtos.

Um tal dispositivo está descrito no documento DE4314290.

Esta máquina síncrona deve ser muito fiável.

Para melhorar o rendimento energético global e a fiabilidade da máquina aqui anteriormente referida, pode procurar aperfeiçoar-se a ponte em H dissociando os circuitos que asseguram a potência em modo motor e os que a asseguram em modo gerador. Com efeito, dado que eles não funcionam simultaneamente, é possível separá-los e aperfeiçoá-los nas suas funções essenciais de maneira específica. Mas esta solução será custosa. A requerente escolheu uma via diferente mais económica e propõe uma máquina do tipo aqui anteriormente referido capaz de assegurar o funcionamento em modos motor e gerador pelas mesmas pontes em H sempre a evitar as perdas de energia devido às correntes de fuga dos díodos e melhorando a sua fiabilidade global.

Para este efeito, o invento diz respeito em primeiro lugar a um dispositivo de rectificação síncrona do tipo ponte em H alimentando uma fase de uma máquina 5 ΡΕ1673854 síncrona do tipo de resistência magnética variável para trabalhar em modo motor e em modo gerador, comportando quatro interruptores dispostos nas ligações eléctricas desta ponte em H e destinados a serem comandados por um circuito electrónico, caracterizado pelo facto de que cada interruptor comporta pelo menos um transístor comandado em díodo ou não pelo circuito electrónico conforme a intensidade I da corrente que atravessa a bobina ultrapassa ou não um limiar S pré-determinado.

Suprimindo os díodos, evita-se a perda de energia devido à sua corrente de fuga, o que contribui para uma primeira melhoria do rendimento global da máquina síncrona.

De preferência, cada interruptor é constituído por um certo número de transístores em paralelo, o referido número sendo determinado pela potência a debitar no interruptor. A optimização do número de transístores em função da potência melhora ainda o rendimento global da máquina. Mais que uma melhoria da sua fiabilidade, graças à redundância dos transístores assim obtida pela sua colocação em paralelo, melhora-se mesmo a sua segurança de funcionamento.

Nomeadamente, os números de transístores operacionais nos interruptores podem ser escolhidos pelo próprio circuito electrónico para melhorar o rendimento da 6 ΡΕ1673854 máquina síncrona nos modos motor e gerador do seu funcionamento.

Vantajosamente, os transístores são idênticos, o que é menos custoso para o fabrico industrial da máquina.

Vantajosamente ainda, os transístores são MOS. 0 invento diz respeito a uma máquina eléctrica síncrona polifásica, com uma bobina alimentada por fase, por uma alimentação contínua, sob o controlo de um dispositivo de rectificação síncrona do tipo aqui anteriormente referido comportando quatro interruptores comandados por um circuito electrónico, a máquina caracterizada pelo facto de que o circuito electrónico está preparado para comandar os quatro interruptores por pares distintos, cada par sendo constituído por dois dos quatro interruptores, sempre escolhidos em série com a referida bobina, todos os pares sendo alternativamente comandados seja para alimentar a bobina em corrente directa ou inversa, seja para restituir a energia aí armazenada.

Utilizando um dispositivo de rectificação síncrona do tipo visto anteriormente, melhora-se o rendimento da máquina até 95%.

Invertendo alternadamente os pares de interruptores, banalizam-se as funções dos referidos interruptores e equilibram-se as perdas no tempo, o que 7 ΡΕ1673854 melhora a fiabilidade da ponte em H, portanto da máquina sincrona.

De preferência, estando previsto um captador de corrente no circuito da bobina, o circuito electrónico está preparado para comandar um par de interruptores em modo sincrono se a corrente na bobina é superior em valor absoluto a um limiar pré-determinado, de outro modo, em modo assíncrono, os transístores respectivos não intervêm então senão pelo seu diodo interno, os dois outros interruptores sendo comandados fechados.

Vantajosamente, o circuito electrónico de comando dos interruptores está preparado para alterar os comandos dos referidos interruptores no tempo quando do carregamento de modo a evitar a entrada em curto-circuito da alimentação continua.

De preferência ainda, a máquina sincrona comporta no seu rotor um captador de posição do rotor ligado ao circuito electrónico, e o circuito electrónico está preparado para comandar a máquina sincrona polifásica em função da posição do rotor segundo um modo motor ou um modo gerador, conformemente a uma informação de utilização enviada pelo processador de dados motor de um veiculo automóvel. 0 invento será melhor compreendido com a ajuda da descrição seguinte de uma forma preferida de realização do ΡΕ1673854 dispositivo de rectificação síncrona e da máquina eléctrica síncrona equipada com o dispositivo de rectificação síncrona de acordo com o invento, em referência aos desenhos anexos, nos quais: - a figura 1 representa um esquema por blocos funcionais de uma máquina eléctrica síncrona ordinária, - a figura 2 é o mesmo esquema para uma máquina eléctrica síncrona equipada com o seu dispositivo de rectificação síncrona de acordo com o invento, - a figura 3 é um esquema eléctrico de um interruptor electrónico entrando na realização do dispositivo de rectificação síncrona de acordo com o invento, - a figura 4 é um cronograma de funcionamento do dispositivo de rectificação síncrona de acordo com o invento, - a figura 5 é um cronograma de funcionamento do mesmo dispositivo aprontado na máquina eléctrica síncrona de acordo com o invento, e - a figura 6 é um cronograma de comando dos interruptores para evitar a entrada em curto-circuito da alimentação contínua.

Fazendo referência à figura 2, a máquina eléctrica síncrona polifásica comporta todos os elementos da máquina da figura 1 vistos anteriormente; uma bateria 20, um filtro 30, um dispositivo de rectificação síncrona, aqui uma ponte em H 10, um circuito electrónico 40, aqui um circuito lógico programável, um motor 50 delimitado por uma 9 ΡΕ1673854 linha fechada descontínua com um rotor 1 rodando em torno de um eixo 2 e um estator 3 comportando pólos 4 e bobinas 5 cujos bornes ligam os pontos médios 13 e 14 das pontes em H correspondentes, de que é apenas um representado nas figuras 1 e 2.

Além disso, a máquina comporta em cada bobina 5 um captador de corrente 45 que envia uma informação sobre a corrente que circula na bobina, indicando o valor e o sentido da corrente, e assim se a corrente I é, em valor absoluto, menor ou maior que um limiar pré-determinado S.

Enfim, o circuito lógico programável 40 recebe uma informação Θ sobre a posição angular do rotor 1 no seu eixo 2, enviada por um captador angular 42, e informações M provenientes do processador de dados motor do veículo (não representado).

Em função destas informações, o circuito lógico programável 40 comanda a ponte em H 10 pelas ligações eléctricas 41 agindo nos quatro interruptores 21, 22, 31, 32 .

Os quatro interruptores são todos estruturalmente idênticos. Um interruptor 21, 22, 31, 32, comporta, fazendo referência à figura 3, n transístores ΤΙ,.,.Τη idênticos colocados em paralelo entre a sua entrada 27, 28, 37, 38 e a sua saída 25, 26, 35, 36. Pode, por exemplo, escolher-se n de 3 a 5, ou mais, os transístores de um interruptor 10 PE1673854 podendo ser comandados simultaneamente por um comando único 41 ou separadamente pelos comandos 411 a 41n, sendo o número de transístores a comandar optimizado segundo os modos de funcionamento da máquina e a potência a transmitir.

Como transístores, podem escolher-se MOS.

Os comandos dos interruptores vão agora ser explicados.

Fazendo referência às figuras 2 e 4, quando de uma alternância Al, os quatro interruptores 21, 22, 31, 32 da ponte em H 10 sendo respectivamente designados pelas marcas habituais MHS, DLS, DHS, MLS (como MOS High/LOw Side e Diode High/LOw Side, não obstante a ausência de diodos e a banalização das funções dos interruptores), são comandados segundo N fases, aqui, no exemplo, sendo N igual a seis fases Φ1 a Φ6 sucessivas:

Φ1: MHS e MLS comandados fechados, DHS e DLS comandados em diodo,

Φ2: MHS e DHS comandados fechados, MLS e DLS comandados em diodo,

Φ3: MHS e MLS comandados fechados, DHS e DLS comandados em diodo,

Φ4: DLS e MLS comandados fechados, MHS e DHS comandados em diodo,

DHS e DLS Φ5: MHS e MLS comandados fechados 11 ΡΕ1673854 comandados em díodo,

Φ6: DHS e DLS comandados fechados, MHS e MLS comandados em díodo.

Os interruptores são ditos ser comandados em díodo se os transístores são comandados para simular um comportamento de díodo, da maneira que será explicada mais adiante. Vê-se que os quatro interruptores são comandados pelo circuito lógico programável 40 por pares distintos, cada par sendo constituído por dois interruptores em série com a bobina 5.

As primeiras e últimas fases da alternância Al, aqui Φ1 e Φ6, são elas próprias decompostas em duas sub-fases Ml e M2 correspondentes a dois modos de funcionamento diferentes. Se a corrente I na bobina 5 é superior em valor absoluto ao limiar S, então os interruptores são comandados em díodo como se acaba de ver, em modo síncrono.

Se não, o limiar S não sendo atingido pela corrente I na bobina, os interruptores DHS e DLS não são mais comandados, os transístores relativos intervêm naturalmente apenas pelo seu díodo interno, em modo assíncrono. A transposição do limiar S pela corrente I não pode ser efectuada sem um dispositivo explicado em seguida 12 PE1673854 sob pena de curto-circuito de alimentação (fenómeno conhecido sob o nome anglo-saxónico de "cross-conduction").

Fazendo referência à figura 5, quando da alternância seguinte A2, os quatro interruptores 21, 22, 31, 32 são comandados segundo as N fases, aqui seis fases Φ1' a Φ6' simétricas das precedentes, sucessivamente: Φ1' : DHS e DLS comandados fechados, MHS e MLS comandados em díodo, Φ2 ' : DHS e MHS comandados fechados, DLS e MLS comandados em díodo, Φ3 ' : DLS e DHS comandados fechados, MLS e MHS comandados em díodo, Φ4 ' : DLS e MLS comandados fechados, MHS e DHS comandados em díodo, Φ5 ' : DHS e DLS comandados fechados, MHS e MLS comandados em díodo, Φ6' : MHS e MLS comandados fechados, DHS e DLS comandados em díodo.

Da mesma maneira que precedentemente, as primeiras e últimas fases Φ1' e da alternância são decompostas em duas sub-fases Ml' e M21 correspondentes aos dois modos de funcionamento síncrono e assíncrono da ponte em H.

Os quatro interruptores 21, 22, 31, 32 são então comandados pelo circuito lógico programável 40 por pares 13 ΡΕ1673854 distintos, cada par sendo constituído de dois dos quatro interruptores, sempre escolhidos em série com a bobina 5, e segundo as alternâncias sucessivas Al, A2 no decurso das quais o circuito lógico programável 40 comanda alternadamente todos os pares seja para alimentar a bobina em corrente directa ou inversa, seja para restituir a energia aí armazenada. 0 circuito lógico programável 40 comanda os transístores "em díodo" da maneira seguinte: a partir da informação sobre o valor da corrente I enviada pelo captador 45, ele comanda o bloqueio do transístor somente se esta corrente é num sentido determinado, o sentido passando o díodo simulado, senão ele comanda o transístor para o fechar, quer dizer, torná-lo passante mas ao mesmo tempo estabelecer uma corrente I na bobina num valor que se estabeleceria conformemente à característica do díodo simulado se ele agisse em rectificação síncrona.

Como dois transístores da mesma ligação não podem tornar-se passantes sem colocar a alimentação 20 em curto-circuito, nomeadamente quando da mudança de modo durante as fases Φ1, Φ6, Φ1', Φ6' aqui referidas anteriormente, o circuito lógico programável 40 está preparado para evitar este curto-circuito de "cross conduction" comandando os interruptores MHS e DLS relativos de maneira alternada no tempo de uma duração At como é mostrado na figura 6. A duração At escolhida é pelo menos igual ao 14 ΡΕ1673854 tempo de estabelecimento de níveis lógicos nos transístores destes interruptores. A informação proveniente do captador de posição angular 42 do rotor e a informação M vinda do processador de dados motor permitem ao circuito lógico programável 40 comandar a máquina síncrona polifásica - por um lado, em modo motor optimizando o número N de fases Φ1 necessárias em função do rotor 1 e determinando o número n de transístores a tornar operacionais em cada interruptor de cada ponte em H 5 para optimizar o rendimento em função da potência a transmitir ou, - por outro lado, em modo gerador, aí determinando igualmente o número n, em função da recarga de alimentação contínua 20 para optimizar esta recarga.

Assim os números n de transístores operacionais nas ligações são escolhidos pelo circuito lógico programável 40 para melhorar o rendimento da máquina síncrona nos dois modos de funcionamento, motor e gerador.

Lisboa, 22 de Julho de 2010

Claims (9)

1 ΡΕ1673854 REIVINDICAÇÕES 1. Dispositivo (10) de rectificação síncrona do tipo ponte em H que alimenta em energia uma bobina (5) de uma fase de uma máquina síncrona do tipo de resistência magnética variável para trabalhar em modo motor e em modo gerador, comportando 4 interruptores (21, 31, 22, 32) que estão dispostos nas ligações eléctricas (11, 12) desta ponte em H e que são destinados a serem comandados por um circuito electrónico (40) caracterizado por cada interruptor compreender um transístor (Tl) comandado em díodo ou não pelo circuito electrónico (40) dependendo se a intensidade I que atravessa a bobina ultrapassa ou não um limiar S pré-determinado.

2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, no qual cada interruptor é constituído por um certo número (n) de transístores (Tl, ,Tn) em paralelo, o referido número sendo determinado pela potência a aí dissipar.

3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 2, no qual o número (n) de transístores operacionais nos interruptores são escolhidos de 3 a 5.

4. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, no qual os transístores (Tl, ,Tn) são todos idênticos. 2 PE1673854

5. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, no qual os transístores são MOS.

6. Máquina eléctrica síncrona polifásica (10, 20, 30, 40 50) alimentada por uma alimentação contínua (20) sob o controlo de um dispositivo (10) de rectificação síncrona de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, comportando quatro interruptores (21, 31, 22, 32) comandados por um circuito electrónico (40), e caracterizado por o circuito electrónico (40) estar preparado para comandar os quatro interruptores (21, 31, 22, 32) por pares distintos, cada par sendo constituído de dois dos quatro interruptores, sempre escolhidos em série com a bobina (5) , todos os pares sendo alternadamente comandados (Φ1, , Φ6'; Φ1, Φ6') quer seja para alimentar a bobina (5) em corrente (I) directa (Al) ou inversa (A2), quer se j a para restituir a energia aí armazenada.

7. Máquina de acordo com a reivindicação 6, na qual, estando previsto um captador (45) de corrente (I) no circuito da bobina (5), o circuito electrónico (40) estando preparado para comandar um par de interruptores em modo síncrono (M2, M2') se a corrente (I) na bobina (5) é superior em valor absoluto a um limiar (S) pré-determinado, senão em modo assíncrono (M1,M1'), os transístores relacionados intervindo então apenas através do seu díodo interno, os outros dois interruptores sendo comandados fechados. 3 PE1673854

8. Máquina de acordo com a reivindicação 7, na qual o circuito electrónico (40) de comando dos interruptores está preparado para alterar (At) os comandos dos referidos interruptores no tempo no momento de uma mudança do modo (Ml, M2, Ml', M2') para evitar a colocação em curto-circuito da alimentação continua (20).

9. Máquina de acordo com uma das reivindicações 6 a 8, comportando num rotor (1) um captador de posição angular (42) do rotor (1) ligado ao circuito electrónico (40), caracterizado por o circuito electrónico (40) está preparado para comandar a máquina síncrona polifásica em função da posição (Θ) do rotor segundo um modo motor ou um modo gerador, conformemente a uma informação de utilização (M) enviada pelo processador de dados de um motor de veículo automóvel. Lisboa, 22 de Julho de 2010 ΡΕ1673854 -1/4-

40y

FIG.2 ΡΕ1673854 -2/4-

FIG.3 Commande MHS Com mande DLS Commande réelle MHS Commande réelle DLS

FIG.6 ΡΕ1673854 3/4 φφ c

ΡΕ1673854 4/4 m> ϊ m

1 ΡΕ1673854 REFERENCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO Esta lista de referências citadas pelo requerente é apenas para conveniência do leitor. A mesma não faz parte do documento da patente Europeia. Ainda que tenha sido tomado o devido cuidado ao compilar as referências, podem não estar excluídos erros ou omissões e o IEP declina quaisquer responsabilidades a esse respeito. Documentos de patentes citadas na Descrição DE43142 90