IT201600109364A1 - Metodo ed apparato per l'adattamento delle caratteristiche magnetiche di un motore sincrono a riluttanza - Google Patents
Metodo ed apparato per l'adattamento delle caratteristiche magnetiche di un motore sincrono a riluttanzaInfo
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Description
DESCRIZIONE
Campo di applicazione
[0001] La presente invenzione è generalmente applicabile al settore tecnico delle macchine elettriche, ed ha particolarmente per oggetto un metodo per la determinazione delle caratteristiche magnetiche di un motore sincrono a riluttanza e per l’adattamento automatico del motore a condizioni di massima efficienza.
[0002] In un secondo aspetto l’invenzione riguarda un apparato per l’applicazione del suddetto metodo ad un motore sincrono a riluttanza.
Stato della Tecnica
[0003] E’ noto che la coppia in un motore a riluttanza è generata dall’anisotropia magnetica e che una delle principali specifiche di progetto è proprio la massimizzazione di tale caratteristica. Tuttavia, il comportamento anisotropo della macchina è molto complesso e dipende da un notevole numero di fattori.
[0004] Quando viene applicata allo statore una forza magneto-motrice allineata con gli assi di massima e minima riluttanza, si ricavano caratteristiche di flusso Ad0e Aqodel tipo illustrato in FIG. 1 ottenute sperimentalmente mediante misure al banco.
[0005] Tuttavia, le suddette curve di flusso non descrivono in maniera completa il comportamento magnetico del motore. Infatti quando entrambi le componenti ide iqsono diverse da zero occorrono informazioni supplementari. In generale, i flussi Ade Aqsono funzioni di entrambe le correnti mentre le funzioni Ad0e Aqorappresentano semplicemente due casi particolari delle funzioni generali
[0006] Sono noti metodi per misurare in laboratorio le caratteristiche magnetiche di un motore sincrono a riluttanza. Questi metodi richiedono solitamente un sistema di prova che comprende un motore di trascinamento a giri costanti del motore in prova, mentre al motore da provare sono applicati gradini di corrente che generano forze elettromotrici (f.e.m.) misurabili con opportuni strumenti di misura.
[0007] Una metodologia per misurare in laboratorio le caratteristiche magnetiche di un motore sincrono a riluttanza è nota ad esempio da IT-A-1354129.
[0008] L’inconveniente di questo noto metodo consiste principalmente nel fatto che non sempre è possibile disporre di un laboratorio né di tutta l’attrezzatura per effettuare le prove al banco del motore.
[0009] Inoltre, il numero di gradini di corrente da applicare al motore di trascinamento può essere molto elevato se si vuole ottenere una buona precisione nella mappatura delle caratteristiche di flusso, con la conseguenza di accrescere notevolmente il costo della prova e quindi aumentare eccessivamente il costo del motore.
[0010] Da US2015/0226776 è noto un metodo per misurare l’induttanza di motori sincroni a magneti permanenti che prevede l’applicazione allo statore di una tensione di misura, la misurazione della corrente di risposta nello statore mentre il motore rimane fermo e la determinazione del valore differenziale della corrente di risposta usando un filtro digitale.
[0011] Non sono attualmente noti metodi per l’adattamento delle caratteristiche magnetiche senza l’uso di prove al banco di un motore sincrono a riluttanza.
Problema Tecnico
[0012] Alla luce dello stato della tecnica, il problema tecnico che la presente invenzione si propone di risolvere può essere considerato come adattare le caratteristiche magnetiche di un motore sincrono a riluttanza evitando qualsiasi prova di laboratorio e riducendo al minimo il numero delle caratteristiche da determinare pur mantenendo una precisione dello stesso ordine di grandezza di quella conseguibile per via sperimentale.
Presentazione dell’invenzione
[0013] Uno scopo generale del presente trovato è quello di risolvere il suddetto problema tecnico superando gli inconvenienti sopra lamentati, mediante un metodo di adattamento delle caratteristiche magnetiche di un motore sincrono a riluttanza di notevole efficienza ed elevata economicità.
[0014] Uno scopo particolare è quello di mettere a disposizione un metodo del tipo sopra indicato che consenta di effettuare la mappatura delle caratteristiche del motore senza effettuare costose prove di laboratorio.
[0015] Un ulteriore scopo è quello di ridurre il numero di rilevazioni di grandezze fisiche del sistema in modo da semplificare il metodo e renderlo più economico.
[0016] Un altro scopo ancora è quello di rendere del tutto automatico l’adattamento delle caratteristiche magnetiche del motore utilizzando l’inverter ed il sistema di controllo elettronico del motore.
[0017] Questi scopi, nonché altri che appariranno più chiaramente nel seguito, sono raggiunti da un metodo per l’adattamento automatico delle caratteristiche magnetiche di un motore sincrono a riluttanza in accordo con la rivendicazione 1.
[0018] In un altro aspetto dell’invenzione, è previsto un apparato per la realizzazione del metodo sopra indicato in accordo con la rivendicazione indipendente 15.
[0019] Forme di realizzazione vantaggiose dell’invenzione sono definite in accordo con le rivendicazioni dipendenti.
Breve descrizione dei disegni
[0020] Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di un metodo ed un apparato di adattamento delle caratteristiche magnetiche di un motore sincrono a riluttanza secondo l’invenzione, illustrati a titolo di esempio non limitativo con l’aiuto delle seguenti tavole di disegno in cui:
[0021] la FIG. 1 rappresenta le curve di flusso rilevate sperimentalmente in laboratorio sul motore secondo lo stato della tecnica;
[0022] la FIG. 2 illustra schematicamente un apparato per l’adattamento delle caratteristiche magnetiche di un motore sincrono a riluttanza secondo l’invenzione;
[0023] la FIG. 3 rappresenta una vista in sezione del motore sincrono a riluttanza con la disposizione schematica degli assi di massima e minima riluttanza;
[0024] la FIG. 4 uno schema funzionale dell’apparato di FIG. 2;
[0025] la FIG. 5 rappresenta il diagramma di flusso del metodo secondo l’invenzione;
[0026] la FIG. 6 è una rappresentazione parziale delle curve della corrente e della tensione rilevate strumentalmente;
[0027] la FIG. 7 rappresenta i diagrammi delle induttanze differenziali rilevate con il metodo secondo l’invenzione, poste a confronto con i corrispondenti diagrammi deducibili dalle prove sperimentali;
[0028] la FIG. 8 rappresenta le curve di flusso determinata a partire dai diagrammi delle induttanze differenziali di cui alla FIG. 6 anch’esse poste a confronto con le corrispondenti curve di flusso dedotte dalle prove sperimentali.
Descrizione dettagliata di un esempio di realizzazione preferito [0029] Con riferimento alle figure citate, è illustrato un apparato per l’adattamento delle caratteristiche magnetiche di un motore sincrono a riluttanza secondo l’invenzione indicato con il numero di riferimento 1,
[0030] In particolare l’apparato 1 comprende un motore 2 sincrono a riluttanza avente uno statore o parte stazionaria 3 che alloggia al suo interno un rotore 4.
[0031] Il motore 2 presenta almeno una coppia di assi D, Q, rispettivamente di minima riluttanza magnetica e di massima riluttanza magnetica, come illustrato in FIG. 3, ed un’unità di controllo 5 dell’alimentazione del motore, preferibilmente un inverter, collegato con una rete di alimentazione trifase 6 ed al quale sono eventualmente associate opportune interfacce digitali quali un display 7 ed un tastierino 8 ovvero un computer, non illustrato nelle figure.
[0032] Il motore 2 presenta valori di corrente nominale I e di tensione nominale V stabiliti in fase di progetto e verificabili al banco per via sperimentale. La corrente di alimentazione I ha componenti id, iqlungo l’asse di minima e massima riluttanza.
[0033] In generale il metodo comprende l’applicazione allo statore di un numero predeterminato di variazioni di tensione e di corrente dV, di con frequenza predeterminata, la determinazione di induttanze differenziali Ldiffin risposta alle variazioni di tensione e corrente, il calcolo delle curve di flusso Ad, Aqmediante integrazione delle induttanze differenziali Ldiffe la mappatura delle curve nell’unità di controllo 5 per adattare automaticamente le caratteristiche magnetiche del motore con precisione sostanzialmente uguale a quella di una prova sperimentale.
[0034] Opportunamente, il numero di variazioni di tensioni e correnti può essere tenuto relativamente basso rispetto al numero di rilievi effettuati al banco per via sperimentale in modo da rendere il metodo più economico e veloce.
[0035] In particolare, come illustrato in FIG. 5, è prevista una fase iniziale a) di allineamento del rotore all’asse D di minima riluttanza.
[0036] Questo allineamento può essere ottenuto secondo due modalità: a’) applicazione allo statore di un impulso di corrente di entità prestabilita pari a circa la corrente nominale I per promuovere la rotazione del rotore di un angolo predeterminato a fino ad una posizione stazionaria di allineamento all’asse D di minima riluttanza, oppure
a”) identificazione della posizione angolare a con iniezione di tensione o corrente, ed utilizzo di tale posizione a come riferimento per le successive elaborazioni negli assi D e Q, evitando la rotazione del rotore.
[0037] Dopo la fase a di allineamento angolare del rotore, viene effettuata una fase b di iniezione nello statore di un primo numero m di prime variazioni di corrente Aldlungo l’asse di minima riluttanza aventi ognuno un valore pari a circa ldmax/m.
[0038] Le variazioni Aldhanno valore medio crescente a gradino con un primo valore massimo ldmaxsuperiore alla corrente nominale I per promuovere la saturazione dello statore lungo l’asse D di minima riluttanza, mantenendo la componente della corrente iqlungo l’asse di massima riluttanza Q pari a zero.
[0039] A titolo di esempio il primo valore massimo ldmaxdella corrente sopra citato è pari a circa il 150% della corrente nominale I.
[0040] Alla fase b di iniezione di corrente corrisponde una fase c di misura della tensione Vde della corrente ldlungo l’asse di massima riluttanza Q in risposta ai primi valori di corrente crescenti a gradino per ottenere prime grandezze rilevate Vdi, ldi.
[0041] Dal punto di vista teorico, applicando una variazione di tensione sul motore (dV) ad una determinata corrente (I) ed a frequenza (f), si produrrà una variazione (di) ed un valor medio (V) che consentono di calcolare l’induttanza differenziale secondo la funzione:
[0042] Segue quindi una seconda fase d d’iniezione di un secondo numero n di variazioni di corrente Alqcon secondi valori di corrente lqmax/n lungo l’asse di massima riluttanza Q, ove le variazioni lqhanno valore medio crescente a gradini Alqcon un secondo valore massimo lqmaxpredeterminato inferiore alla corrente nominale I per mantenere il rotore nella posizione stazionaria di allineamento iniziale, e mantenendo la componente della corrente idlungo l’asse di minima riluttanza D pari a zero.
[0043] A titolo di esempio, il suddetto secondo valore massimo ldmaxdella corrente è pari a circa il 15% della corrente nominale I.
[0044] A questo punto è prevista una seconda fase e di misura della tensione Vqe della corrente lqlungo l’asse di minima riluttanza Q in risposta ai secondi valori di variazioni corrente crescenti a gradino iniettati nella fase d per ottenere seconde grandezze rilevate Vq2, lq2-[0045] Le prime Vd1, ld1e seconde Vq2, lq2grandezze rilevate sono quindi sottoposte ad una fase f di elaborazione per determinare opportuni parametri Ldo, Idsat, Lq0, lqsat, LSat, Xcrossspecifici del motore.
[0046] Il metodo prevede quindi una fase g di determinazione dei valori differenziali Ldiffa partire dai parametri specifici Ldo, Idsat, Lq0, lqsat, LSat, Xcrossil cui significato viene indicato di seguito.
[0047] Ldo rappresenta l’induttanza differenziale secondo l’asse D con il valore ideale Id uguale a 0.
[0048] ldsatrappresenta la corrente cui corrisponde idealmente un’induttanza differenziale secondo l’asse D pari a zero.
[0049] Lq0rappresenta l’induttanza differenziale secondo l’asse Q con il valore ideale lquguale a 0.
[0050] lqsatrappresenta la corrente cui corrisponde idealmente un’induttanza differenziale secondo l’asse Q pari a zero.
[0051] Lsatrappresenta l’induttanza differenziale di saturazione secondo gli assi D e Q.
[0052] Xcrossrappresenta il valore in percentuale che tiene in consiuiderazione il fattore di saturazione incrociato.
[0053] Si esegue la derivata di Ldiffdin modo da rilevare il cambio di pendenza della caratteristica. Si traccia quindi la linea di tendenza nel primo tratto lineare come equazione del primo ordine
[0054] La stessa procedura sopra descritta è ripetuta con Ldiffq.
[0055] Lqsatsi può considerare uguale a Ldsat-[0056] Per Lsatsi considera il valore di saturazione pari al valore Ldiffd ottenuto nel punto di massima corrente di iniezione.
[0057] XCross definisce come l’anisotropia ha influenza sull’induttanza differenziale in asse D.
[0058] Questo parametro si può approssimare come:
e viene saturata al valore limite
[0059] I valori delle induttanze differenziali sopra citate sono ottenuti mediante le seguenti funzioni [1], [2], [3] e [4]:
[0060] L’uso di induttanze differenziali permette una linearizzazione delle caratteristiche che consente di definire pochi parametri specifici, limitati a 6 a titolo di esempio non limitativo.
[0061] Le fasi dalla a alla g sono controllate da un opportuno algoritmo inizializzato neH’inverter 5 per elaborare le induttanze differenziali e mappare curve di flusso Ad, Aqdel motore con precisione prossima a quelle ottenibile in laboratorio.
[0062] Infine, le mappe delle curve di flusso Ad, Aqsono utilizzate nell’algoritmo per adattare automaticamente le caratteristiche magnetiche del motore.
[0063] Le mappature così ottenute dal trovato hanno una precisione tale da permettere anche il controllo sensorless del motore, sebbene il metodo possa essere utilizzato anche per il controllo del motore con sensori.
[0064] Il metodo non richiede hardware aggiuntivi rispetto all’inverter normalmente associato al motore.
[0065] Anche se il metodo e l’apparato sono stati descritti con particolare riferimento alle figure allegate, i numeri di riferimento sono utilizzati per migliorare l'intelligenza del trovato e non costituiscono alcuna limitazione all'ambito di tutela rivendicato.
Applicabilità industriale
[0066] La presente invenzione è industrialmente applicabile in quanto può essere realizzata su scala industriale da parte di industrie appartenenti al settore della produzione di azionamenti per motori sincroni trifase a riluttanza.
Claims (15)
- R I V E N D I C A Z I O N I 1. Un metodo per l’adattamento automatico delle caratteristiche magnetiche di un motore sincrono a riluttanza (2), del tipo comprendente uno statore (3) che alloggia al suo interno un rotore (4) e definisce almeno una coppia di assi (D, Q) di minima e di massima riluttanza magnetica, un’unità di controllo (5) dell’alimentazione del motore, in cui il motore presenta valori prestabiliti di corrente nominale (I) e di tensione nominale (V) ottenuti al banco per via sperimentale ed in cui la corrente di alimentazione ha componenti (id, iq) lungo l’asse di minima e massima riluttanza, il quale metodo comprende l’applicazione allo statore di un numero predeterminato di variazioni di tensione e di corrente (dV, di) con frequenza (f) predeterminata, la determinazione di induttanze differenziali (Ldiff) in risposta a dette variazioni di tensione e corrente, il calcolo delle curve di flusso (Ad, Aq) del motore mediante integrazione di dette induttanze differenziali (Ldjff) e la mappatura di dette curve nell’unità di controllo per adattare automaticamente le caratteristiche magnetiche del motore con precisione sostanzialmente uguale a quella di una prova sperimentale, in cui detto numero predeterminato (m, n) di variazioni di tensioni e correnti è relativamente basso rispetto al numero di rilievi effettuati al banco per via sperimentale.
- 2. Metodo come da rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di prevedere una prima fase (a) di rilevamento della posizione angolare (a) del rotore rispetto all’asse di minima riluttanza (D) per stabilire una posizione stazionaria di allineamento a detto asse (D).
- 3. Metodo come da rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta prima fase a) è ottenuta mediante applicazione alla statore (3) di un impulso di corrente di entità prestabilita pari a circa la corrente nominale (I) per promuovere la rotazione del rotore di un angolo predeterminato (a) ed ottenere l’allineamento del rotore (4) all’asse (D) di minima riluttanza.
- 4. Metodo come da rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta prima fase a) è ottenuta mediante identificazione della posizione angolare (a) con iniezione di tensione o corrente ed utilizzo di detta posizione (a) come riferimento per le successive elaborazioni negli assi (d) e (q) senza alcuna rotazione del rotore (4).
- 5. Metodo come da rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che dopo detta fase (a) di allineamento angolare del rotore viene effettuata una fase (b) di iniezione nello statore di un primo numero (m) di variazioni di corrente (Ald) aventi primi valori (ldmax/m) lungo detto asse di minima riluttanza, dette variazioni avendo valore medio crescente a gradino con un primo valore massimo (Idmax) superiore alla corrente nominale (I) per promuovere la saturazione dello statore lungo detto asse (D) di minima riluttanza, mantenendo la componente della corrente (iq) lungo l’asse di massima riluttanza (Q) pari a zero.
- 6. Metodo come da rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto primo valore massimo (Idmax) della corrente è pari a circa il 150% della corrente nominale (I).
- 7. Metodo come da rivendicazioni 5 o 6, caratterizzato dal fatto di prevedere una fase (c) di misura della tensione (Vd) e della corrente (ld) lungo l’asse di massima riluttanza in risposta a detti primi valori di corrente crescentia gradino per ottenere prime grandezze rilevate(Vd, ld).
- 8. Metodo come da rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto di prevedere una seconda fase (d) d’iniezione di un secondo numero (n) di variazioni di corrente (lq) con secondi valori di corrente (lqmax/n)lungo detto asse di massima riluttanza, dette variazioni avendo valore medio crescente a gradino con un secondo valore massimo (lqmax) predeterminato inferiore alla corrente nominale (I) per mantenere il rotore in detta posizione stazionaria di allineamento, e con la componente della corrente (id) lungo l’asse di minima riluttanza (D) pari a zero.
- 9. Metodo come da rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto secondo valore massimo (Idmax) della corrente è pari a circa il 15% della corrente nominale (I).
- 10. Metodo come dalle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di prevedere una fase (e) di misura della tensione (Vq) e della corrente (lq) lungo l’asse di minima riluttanza (Q) in risposta a detti secondi valori di variazioni corrente crescenti a gradino iniettati nella fase (d) per ottenere seconde grandezze rilevate (Vq, lq).
- 11. Metodo come dalle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una fase (f) di elaborazione di dette prime (Vd, ld) e dette seconde (Vq, lq) grandezze rilevate per determinare opportuni parametri (Ldo, Idsat, Lqo, IqSati LSat, Xcross) specifici del motore.
- 12. Metodo come dalla rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto di comprendere una fase (g) di determinazione di detti valori differenziali (Ldiff) a partire da detti parametri specifici (Ld0, ldsat, Lqo, lqsat, Uat, Xcross) secondo le funzioni [1], [2], [3] e [4]:
- 13. Metodo come dalle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette fasi dalla a) alla g) sono controllate da un opportuno algoritmo inizializzato in detta unità di controllo per elaborare dette induttanze differenziali (Ad, Aq) e mappare curve di flusso del motore con precisione prossima a quelle ottenibile in laboratorio.
- 14. Metodo come dalla rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che le mappe di dette curve di flusso (Ad, Aq) sono utilizzate da detto algoritmo per adattare automaticamente le caratteristiche magnetiche del motore in modo ottimale.
- 15. Un apparato (1) per adattare automaticamente le caratteristiche magnetiche di un motore sincrono a riluttanza (2), del tipo comprendente uno statore (3) che alloggia un rotore (4) e definisce almeno una coppia di assi (D, Q) di minima e di massima riluttanza magnetica, mezzi di alimentazione del motore, in cui la corrente nominale (I) e la tensione nominale (V) sono dati di targa preventivamente misurati per via sperimentale, caratterizzato dal fatto di comprendere: - un applicatore di impulsi configurato per determinare la rotazione del rotore di un angolo predeterminato ed il suo allineamento all’asse (D) di minima riluttanza; - un iniettore elettronico configurato per applicare allo statore un numero minimo predeterminato di variazioni di tensione e di corrente (dV, di) con frequenza (f) predeterminata; - un misuratore di tensione e di corrente per determinare le induttanze differenziali (Ldiff) dello statore in risposta a dette variazioni di tensione e di corrente (dV, di) con frequenza (f) predeterminata; - mezzi di filtraggio per determinare induttanze differenziali (Ldiff) in risposta a dette variazioni; - un’unità di controllo (5) configurata per calcolare le curve di flusso (Ad, Aq) del motore mediante integrazione di dette induttanze differenziali (Ldiff) e mappare dette curve per adattare automaticamente le caratteristiche magnetiche del motore con precisione sostanzialmente uguale a quella conseguibile al banco per via sperimentale
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