PT2343796E

PT2343796E - Motor ec

Info

Publication number: PT2343796E
Application number: PT101505360T
Authority: PT
Inventors: Daniel Koenig
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen Gmbh & Co
Priority date: 2010-01-12
Filing date: 2010-01-12
Publication date: 2013-04-02
Also published as: EP2343796A1; ES2403483T3; US20110169435A1; US8525457B2; EP2343796B1

Description

DESCRIÇÃO "MOTOR EC" A presente invenção refere-se, de acordo com o conceito genérico da reivindicação 1, a um motor EC, constituído por um motor de corrente contínua comutado electronicamente e excitado por imanes permanentes, com uma electrónica de comutação montada a montante que é abastecida, através de um circuito intermédio, com uma tensão contínua do circuito intermédio.

Os motores EC deste género (EC = comutado electronicamente) são suficientemente conhecidos e são utilizados para numerosas aplicações. No caso de um motor EC trata-se, como é conhecido, de um motor síncrono sem anel colector e excitado por imanes permanentes, que está provido de um sensor de posição do rotor e é operado com uma tensão contínua através de uma electrónica de comutação (electrónica de controlo e de potência). Esta tensão contínua pode ser obtida, enquanto tensão contínua do circuito intermédio, através da rectificação de uma tensão alternada da rede. A electrónica de comutação produz, a partir de tensão contínua, em função da posição do rotor, uma tensão alternada, em particular trifásica, para a produção de um campo girante no enrolamento do estator.

Os motores EC têm muitas vantagens. Através da comutação sem anel colector e meramente electrónica não ocorrem ruídos de escovas, nem desgaste. Por este motivo, estes motores não precisam de manutenção. Devido ao controlo electrónico podem ser 1 realizadas, sem problemas, funções adicionais, como a regulação continua do número de rotações, a inversão da direcção de rotação, o arranque suave e/ou a protecção de bloqueio. Para o ajuste do número de rotações é geralmente efectuada uma sincronização PWM com um grau de modulação ajustável ou regulável (razão cíclica).

Para alguns casos de aplicação existe hoje, por motivos económicos e também ambientais, frequentemente o desejo de operar os motores EC deste género também com energia solar, isto é, através de geradores fotovoltaicos, com uma tensão fotovoltaica.

Por exemplo, o documento US 5.493.155 A descreve um sistema de abastecimento eléctrico para um acionamento eléctrico, por exemplo de um compressor de um sistema de ar condicionado ou de uma máquina frigorífica, sendo que um circuito intermédio é abastecido directamente por uma tensão de rede, de uma rede pública de abastecimento, através de um rectificador de rede. Adicionalmente, um gerador fotovoltaico (painel solar) está ligado ao circuito intermédio e, com efeito, indirectamente através de um conversor CC/CC (converter) controlável, através do qual a tensão fotovoltaica variável que se altera consoante a radiação solar incidente é ajustada à tensão contínua do circuito intermédio, predeterminada pela tensão da rede rectificada. 0 conversor CC/CC necessário no circuito fotovoltaico conduz no entanto a encargos adicionais no que diz respeito ao circuito e aos componentes, bem como a um rendimento reduzido da energia solar. 0 documento DE 19538946 Cl descreve, especialmente para a utilização num veículo, uma disposição para o abastecimento 2 eléctrico de um motor de corrente contínua electronicamente comutado e sem escovas, que para este efeito se encontra em ligação eléctrica directa a um gerador fotovoltaico. 0 gerador fotovoltaico deve encontrar-se disposto, de um modo preferido, na zona do tecto do veículo. Adicionalmente, o motor, ou seja a sua electrónica de controlo, está ligado à rede de bordo do veículo (bateria, gerador) através de um interruptor, de modo a se poder comutar entre um funcionamento com alimentação fotovoltaica e um funcionamento com alimentação a partir da rede de bordo. Este facto significa que o motor eléctrico pode apenas ser operado alternativamente a partir do módulo solar e ou a partir da rede de bordo. 0 documento JP 08331889 A descreve um motor eléctrico de indução que é operado a partir de uma "fonte de energia limpa". Esta fonte de energia é constituída por um gerador fotovoltaico e um aerogerador, sendo que o gerador fotovoltaico está ligado directamente a um inversor (inverter) do motor. O aerogerador está ligado ao inversor do motor paralelamente ao gerador fotovoltaico, através de um conversor (converter). Ambos os geradores são variáveis no que se refere aos seus parâmetros, uma vez que dependem da meteorologia. Uma tensão de saída do aerogerador é regulada através do conversor de tal modo que acompanha a respectiva tensão de saída do gerador fotovoltaico. Quando neste caso a tensão de saída da "fonte de energia limpa" diminui, reduz-se também o número de rotações do motor, de modo que a tensão de entrada do motor de indução pode ser reduzida. Este facto tem como consequência uma alteração da potência absorvida. A presente invenção tem como objectivo subjacente o de conceber um motor EC do tipo referido que pode ser operado 3 opcionalmente com uma tensão fotovoltaica de um gerador fotovoltaico e/ou com uma tensão da rede, com bom rendimento e encargos reduzidos com componentes, bem como com um número de rotações constante.

De acordo com a invenção, isto é conseguido através das caracteristicas da reivindicação 1. As caracteristicas de configuração vantajosas da invenção encontram-se contidas nas reivindicações dependentes, bem como na descrição que se segue.

De acordo com a invenção está por conseguinte previsto que o circuito intermédio possa ser ligado, por um lado, directamente a um gerador fotovoltaico através de uma primeira entrada de tensão, bem como por outro lado, a uma tensão da rede através de uma fonte de alimentação controlável e de uma segunda entrada de tensão, sendo que a tensão continua do circuito intermédio é predefinida de forma variável com base numa respectiva tensão fotovoltaica existente do gerador fotovoltaico e a fonte de alimentação pode ser regulada no que se refere à sua tensão de saída, para o ajuste à respectiva tensão contínua do circuito intermédio.

De um modo vantajoso, através deste ajuste de tensão, as correntes resultantes a partir das respectivas tensões podem simplesmente ser reunidas num ponto do circuito e, por conseguinte, ser praticamente somadas formando a corrente do circuito intermédio. 0 motor é então operado com a potência que resulta a partir do respectivo produto da corrente do circuito intermédio, multiplicada pela tensão contínua do circuito intermédio. 4

De acordo com a invenção, a fonte de alimentação é regulada através de um regulador MMP na gama da potência máxima possível do gerador fotovoltaico (MPP = ponto de potência máxima). Através do regulador MPP (MPP-tracker) , o gerador fotovoltaico pode sempre ser operado na gama de potência óptima.

De modo a assegurar o funcionamento do motor EC também quando não estiver à disposição nenhuma tensão fotovoltaica ou uma demasiado reduzida, pode estar previsto, numa outra configuração vantajosa, que no caso de uma tensão fotovoltaica em falha ou que se aproxima de zero, ultrapassando por defeito um determinado valor limite, seja ajustado um valor predeterminado para a tensão contínua do circuito intermédio, ainda suficiente para o funcionamento do motor de corrente contínua, através da fonte de alimentação.

Em contexto com a invenção está para além disso previsto que a electrónica de comutação apresente uma regulação do número de rotações, de modo a poder manter constante o número de rotações do motor, mesmo no caso de uma tensão contínua do circuito intermédio que varia. Neste caso, a electrónica de comutação é constituída, de um modo em princípio conhecido, por um andar de saída de potência com interruptores de potência controlados, dispostos numa montagem em ponte completa e por uma correspondente unidade de controlo que controla os interruptores de potência em função da posição de rotação do rotor.

Numa configuração preferida, a electrónica de comutação forma juntamente com a fonte de alimentação controlável e com o regulador MPP, uma unidade electrónica integrada numa caixa de um motor, que se encontra alojada, em particular, sobre pelo menos uma placa de circuitos comum. Neste caso, a fonte de 5 alimentação é configurada, de um modo preferido, como conversor CA/CC que apresenta, de um modo preferido, um regulador de tensão integrado.

No que se segue, um exemplo de realização preferido da invenção deve ser explicado mais ao pormenor com base no desenho. Neste caso mostram:

Figura 1 um diagrama de blocos do motor EC de acordo com a invenção,

Figura 2 um esquema de princípio simplificado dos circuitos do motor EC de acordo com a invenção,

Figura 3 um diagrama de princípio das curvas características de uma célula fotovoltaica,

Figura 4

Figura 5 um diagrama para a explicação da interligação entre a tensão fotovoltaica e o grau de modulação do motor e um diagrama com ilustração da potência total composta.

Como resulta em primeiro lugar a partir da figura 1, um motor 1 EC de acordo com a invenção é constituído por um motor M de corrente contínua comutado electronicamente e excitado por imanes permanentes, com uma electrónica 2 de comutação montada a montante. A electrónica 2 de comutação, por sua vez, é constituída por um andar 4 de saída de potência com interruptores de potência (em particulares transístores) controlados, dispostos numa montagem em ponte completa, não representados ao pormenor, bem como uma correspondente unidade 6 de controlo com regulação do número de rotações. 0 motor M é 6 abastecido com uma tensão UZk contínua do circuito intermédio através do andar 4 de saída, através de um circuito 8 intermédio.

Na unidade 6 de controlo, para além da regulação do número de rotações, encontra-se também implicada a electrónica de comutação habitual para o controlo do andar 4 de saída. Através da regulação do número de rotações, a unidade 6 de controlo controla, através de um assim chamado grau de modulação, a energia no motor M por modulação por largura de pulso, de tal modo que o número de rotações que é predefinido com base num valor nn0minai nominal é alcançado e depois mantido.

De acordo com a invenção, o circuito 8 intermédio está ligado ou pode ser ligado, por um lado, directamente a um gerador 12 fotovoltaico através de uma primeira entrada 10 de tensão, bem como por outro lado, a uma tensão UM da rede (M = mains) através de uma fonte 14 de alimentação controlável e de uma segunda entrada 16 de tensão. Por conseguinte, de acordo com a invenção, a tensão UZK contínua do circuito intermédio é predefinida de forma variável com base numa respectiva tensão UPV fotovoltaica existente do gerador 12 fotovoltaico e a fonte 14 de alimentação pode ser regulada no que se refere à sua tensão de saída, para o ajuste à respectiva tensão UZK contínua do circuito intermédio. Através deste ajuste de tensão, as correntes (corrente IPV fotovoltaica, corrente IM da rede) resultantes a partir das respectivas tensões podem simplesmente ser reunidas, de um modo vantajoso, num ponto P do circuito (ver a figura 2) e, por conseguinte, ser praticamente somadas formando a corrente IZK do circuito intermédio; é válido IZK = Ipv + IM. O motor M é então operado com a potência que resulta a partir do respectivo produto da corrente do circuito 7 intermédio, multiplicada pela tensão continua do circuito intermédio; P = IZK · UZK.

Numa configuração preferida, a fonte 14 de alimentação é regulada através de um regulador 18 MMP na gama da potência máxima possível do gerador 12 fotovoltaico. Para este efeito, o regulador 18 MMP recebe os respectivos valores da corrente IPV fotovoltaica e da tensão Upv fotovoltaica. Com base nestes valores, o regulador 18 MMP forma um valor UzKnomínai nominal que é fornecido à fonte 14 de alimentação para o ajuste da correspondente tensão UZK contínua do circuito intermédio.

Para o caso de a tensão UPV fotovoltaica falhar por completo ou ultrapassar por defeito um determinado valor limite, aproximando-se de zero, um valor UZKmin predeterminado para a tensão contínua do circuito intermédio, ainda suficiente para o funcionamento do motor M, é ajustado através da fonte 14 de alimentação.

Numa configuração preferida, a fonte 14 de alimentação é configurada como conversor CA/CC. De acordo com a figura 2, a fonte 14 de alimentação contém um regulador 20 de tensão integrado.

Como se encontra ilustrado a título de exemplo na figura 1, a electrónica 2 de comutação forma juntamente com a fonte 14 de alimentação, com um condensador CZk de circuito intermédio, do circuito 8 intermédio e, de um modo preferido, também com o regulador 18 MPP, uma unidade electrónica, que se encontra disposta, de um modo preferido, sobre pelo menos uma placa de circuitos comum e que está integrada numa caixa de um motor. Deste modo, o motor 1 EC pode ser construído de uma forma compacta, com todos os componentes necessários, sendo que as respectivas tensões, isto é, a tensão UM da rede e/ou o gerador 12 fotovoltaico, podem ser ligadas opcionalmente através das duas entradas 10 e 16 de tensão. Na figura 1, a caixa do motor encontra-se indicada através de uma linha 22 a tracejado. O assim chamado rastreamento MPP é um processo em principio conhecido na tecnologia fotovoltaica, para operar células fotovoltaicas na gama de potência óptima (MPP = ponto de potência máxima). No caso de um ponto de trabalho constante do motor, o regulador 18 MMP varia a tensão continua do circuito intermédio através da fonte 14 de alimentação, de tal modo que a respectiva energia máxima à disposição é retirada do gerador 12 fotovoltaico. Por conseguinte, a tensão continua do circuito intermédio depende do ponto de trabalho da célula fotovoltaica, o qual, por sua vez, depende da radiação solar incidente e da temperatura do módulo.

Para este efeito remete-se para o diagrama na figura 3, no qual se encontram representadas algumas curvas caracteristicas a título de exemplo. A gama de potência óptima encontra-se desenhada como gama MPP. O motor 1 EC de acordo com a invenção pode trabalhar, por princípio, em três modos de funcionamento diferentes: 1. Mera ligação à rede, sendo que a energia necessária é fornecida a 100% a partir da rede. 2. Mera ligação fotovoltaica sem abastecimento adicional a partir da rede; neste caso podem verificar-se dois sub-casos: 9 0 gerador 12 fotovoltaico fornece mais energia do que o motor necessita. Neste caso, o gerador 12 fotovoltaico pode também ser operado fora da gama MPP. A tensão é regulada para baixo, correspondentemente à curva caracteristica. - A energia do gerador 12 fotovoltaico também não é suficiente na gama MPP, para alcançar o valor nominal realmente necessário. Devido ao facto de, ou quando, não existir nenhum abastecimento adicional a partir da rede, é por conseguinte apenas utilizada a energia máxima possível do gerador 12 fotovoltaico para o funcionamento do motor. 3. Funcionamento bivalente com abastecimento simultâneo por via fotovoltaica e a partir da rede; também neste caso verificam-se dois sub-casos: A energia do gerador 12 fotovoltaico não é suficiente para alcançar o valor nominal. Neste caso, a energia adicionalmente necessária é retirada da rede, sendo que o gerador 12 fotovoltaico é no entanto operado de qualquer forma na gama MPP. A energia fotovoltaica é suficiente para alcançar o valor nominal. Neste caso, o gerador 12 fotovoltaico pode ser operado fora da gama MPP, sem alimentação a partir da rede.

Por conseguinte, a rede fornece apenas energia, quando a energia proveniente do gerador 12 fotovoltaico não é suficiente para alcançar o respectivo ponto de trabalho desejado do motor. Neste caso, de um modo vantajoso, a partir da rede é apenas retirada a parte da energia que o gerador 12 fotovoltaico não consegue fornecer, para abastecer 10 suficientemente o motor.

Caso esteja à disposição energia excedente proveniente do gerador 12 fotovoltaico, a mesma pode ser desaproveitada, no entanto, de um modo preferido, pode ser reintroduzida na rede. Para este efeito podem estar previstos meios, não representados nas figuras 1 e 2, para a alimentação de retorno à rede de energia excedente proveniente do circuito 8 intermédio. Para este efeito, a tensão UZK contínua do circuito intermédio é monitorizada e a energia é reintroduzida na rede através da fonte 14 de alimentação - para este efeito configurada de forma bidirecional - quando um valor limite predeterminado for ultrapassado.

Um circuito de princípio do motor 1 EC, de acordo com a invenção, directamente alimentado por via fotovoltaica, encontra-se representado na figura 2. Através da regulação da fonte 14 de alimentação (conversor CA/CC) para uma tensão respectivamente constante, a sua resistência interna é aproximadamente zero, sendo que o conversor trabalha apenas no funcionamento de um quadrante. Pelo contrário, o gerador 12 fotovoltaico possui em comparação uma resistência RPV interna relativamente grande. Caso as duas tensões (tensão de saída da fonte 14 de alimentação e tensão fotovoltaica do gerador 12 fotovoltaico) com as diferentes resistências internas sejam ligadas em paralelo, ajusta-se de forma automática respectivamente um valor da corrente proveniente do gerador fotovoltaico e a partir da rede, consoante o ponto de trabalho do gerador fotovoltaico (dependendo da radiação, temperatura, ver figura 3) . No ponto P do circuito, estas correntes individuais somam-se formando a corrente IZK do circuito intermédio do motor M. Por conseguinte, a potência de saída do 11 gerador 12 fotovoltaico pode ser regulada através da variação do respectivo potencial de tensão no circuito 8 intermédio. É válido Pmotor = Pfotovoltaico Parede Uzk * Ipv Uzk * 1m*

Em alternativa, a fonte 14 de alimentação pode também ser operada num modo de corrente constante. A tensão no circuito intermédio resultará então com:

UzK - — ' f (ipv + i-M ' ^Zk) dt

LZK

Neste caso, a soma das duas correntes tem que ser mantida constante num ponto de trabalho definido, através do regulador 18 MMP. A figura 4 mostra, como área em forma de losango, o intervalo de trabalho do regulador 18 MMP entre UMPpmin e UMppmax· Com linhas obliquas a tracejado encontram-se indicadas curvas de números de rotações, sendo que cada uma destas linhas representa um determinado número de rotações. Um ponto 1 de trabalho (AP 1) corresponde ao MPP da célula fotovoltaica, aquando de parâmetros de funcionamento definidos. Caso os parâmetros de funcionamento se alterem, poderá correspondentemente ser alcançado por exemplo o AP 2. Este AP 2 caracteriza-se por uma tensão MPP mais baixa. De modo a não alterar o ponto de trabalho do motor devido a estes parâmetros alterados da célula fotovoltaica, o grau de modulação do motor tem que ser aumentado através da unidade de controlo da electrónica 2 de comutação. 0 ponto de trabalho do motor é predefinido com um número de rotações estacionário de forma específica por aplicação e, deste modo, com uma potência absorvida e potência debitada constantes. 0 respectivo grau de modulação actual calcula-se com: 12 dap1 = Uuppmin 100 % ^JWPPactual

Por fim, a figura 5 mostra ainda a composição da potência total do motor em função da radiação solar incidente sobre o painel solar do gerador 12 fotovoltaico. Neste gráfico, a potência da célula fotovoltaica encontra-se ajustada a titulo de exemplo à potência do motor. Isto não será no entanto obrigatoriamente necessário para o modo de funcionamento.

Variações e modificações são possíveis no âmbito das reivindicações dependentes.

Lisboa, 22 de Março de 2013 13

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Motor (1) EC, constituído por um motor (M) de corrente contínua comutado electronicamente e excitado por imanes permanentes, com uma electrónica (2) de comutação montada a montante que é abastecida, através de um circuito (8) intermédio, com uma tensão (UZk) contínua do circuito intermédio, caracterizado por o circuito (8) intermédio poder ser ligado, por um lado, directamente a um gerador (12) fotovoltaico através de uma primeira entrada (10) de tensão, bem como por outro lado, a uma tensão (UM) da rede através de uma fonte (14) de alimentação controlável e de uma segunda entrada (16) de tensão, sendo que a tensão (UZK) contínua do circuito intermédio é predefinida de forma variável com base numa respectiva tensão (UPV) fotovoltaica existente do gerador (12) fotovoltaico e a fonte (14) de alimentação pode ser regulada no que se refere à sua tensão de saída, para o ajuste à respectiva tensão (UZK) contínua do circuito intermédio, através de um regulador (18) MMP na gama da potência máxima possível do gerador (12) fotovoltaico, sendo que um ponto (AP) de trabalho do motor é predefinido com um valor (nnominai) nominal de um número de rotações e, no caso de parâmetros da célula fotovoltaica que se alteram, é ajustado de tal modo através da electrónica (2) de comutação, que o número de rotações do motor é mantido no valor (nnominai) nominal.
2. Motor EC de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por no caso de uma tensão (UPV) fotovoltaica em falha ou que se aproxima de zero, ultrapassando por defeito um determinado 1 valor limite, ser ajustado um valor (UZKmin) predeterminado para a tensão (UZK) contínua do circuito intermédio, suficiente para o funcionamento do motor (M) de corrente contínua, através da fonte (14) de alimentação.
3. Motor EC de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por a electrónica (2) de comutação ser constituída por um andar (4) de saída de potência e por uma correspondente unidade (6) de controlo com regulação do número de rotações.
4. Motor EC de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 3, caracterizado por a electrónica (2) de comutação formar juntamente com a fonte (14) de alimentação e com o regulador (18) MPP, uma unidade electrónica integrada numa caixa de um motor, disposta, em particular, sobre pelo menos uma placa de circuitos comum.
5. Motor EC de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 4, caracterizado por o circuito (8) intermédio conter um condensador (CZK) de circuito intermédio.
6. Motor EC de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 5, caracterizado por a fonte (14) de alimentação ser configurada como conversor CA/CC - de um modo preferido, com regulador (20) de tensão integrado.
7. Motor EC de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 6, caracterizado por meios para a alimentação de retorno à rede de energia excedente proveniente do circuito (8) intermédio, sendo que a tensão (UZK) contínua do circuito intermédio é monitorizada e a energia é reintroduzida na 2 rede através da fonte (14) de alimentação - para este efeito configurada de forma bidirecional - quando um valor limite predeterminado for ultrapassado. Lisboa, 22 de Março de 2013 3