ITMI932641A1

ITMI932641A1 - Procedimento e dispositivo per la commutazione sulla velocita' inferiore di un motore a poli commutabili

Info

Publication number: ITMI932641A1
Application number: IT002641A
Authority: IT
Inventors: Josef Schmidt; Walter Trumpler
Original assignee: Sew Eurodrive Gmbh & Co
Priority date: 1992-12-17
Filing date: 1993-12-16
Publication date: 1995-06-16
Also published as: FR2699761A1; DE4242665A1; GB2273616A; FR2699761B1; GB9323657D0; GB2273616B; US5436546A; ITMI932641A0; IT1265404B1; DE4242665B4

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo:

"PROCEDIMENTO E DISPOSITIVO PER LA COMMUTAZIONE SULLA VELOCITA' INTERIORE DI UN MOTORE A POLI COMMUTABILI"

DESCRIZIONE

L?invenzione riguarda un procedimento per la commutazione di un motore a poli commutabili sulla velocit? di rotazione inferiore, ove in un primo tempo avviene una commutazione bifase sulla velocit? di rotazione inferiore, nonch? un dispositivo per il collegamento della terza fase di un motore a poli commutabili, in cui in un primo tempo avviene una commutazione.bifase sulla velocit? di rotazione inferiore.

I motori a fasi commutabili sono macchine asincrone, nel cui statore ? montato pi? di un sistema di avvolgimenti. Essi consentono il funzionamento a velocit? di rotazione diverse in uscita mediante collegamento del rispettivo avvolgimento di statore. Le velocit? di rotazione dipendono dalla frequenza del campo rotante e, di volta in volta, dal numero di poli, e sono quindi in un rapporto tra loro espresso da un numero intero. Di regola, gli avvolgimenti di statore sono avvolgimenti autonomi, separati galvanicamente uno dall'altro.

. I diversi campi di applicazione richiedono non soltanto l?inserzione e la disinserzione di ciascuna singola velocit? di rotazione, ma anche la commutazione tra le velocit? di rotazione. L'inserzione di ciascuna velocit? di rotazione a motore fermo si differenzia da quella di un motore a singola velocit? soltanto per il fatto che il tempo per portarsi al regime di pieno carico ? maggiore, data la massa propria relativamente pi? elevata del motore a poli commutabili. La commutazione tra le velocit? di rotazione, e in particolare la commutazione sulla velocit? di rotazione inferiore, rappresenta per? una nuova situazione, con un comportamento tipico dei motori a polarit? commutabile. Si crea una coppia di commutazione che raggiunge il valore di un multiplo della coppia di avviamento. Questo impulso momentaneo si traduce in una maggior usura e in vibrazioni del meccanismo di azionamento come pure in . un pi? forte sviluppo di rumore. Per motivi fisici, l'andamento della coppia in funzione della velocit? di rotazione nel funzionamento ipersincrono ? notevolmente pi? rialzato rispetto a quello nel funzionamento iposincrono; ci? vale in particolare per la coppia di rovesciamento nel funzionamento come generatore, che determina in misura rilevante la durezza della commutazione sulla velocit? inferiore.

Per evitare gli inconvenienti descritti durante la commutazione dei motori a polarit? variabile sulla velocit? inferiore o per ridurli ad un valore accettabile, vengono adottati accorgimenti tecnici diversi:

Un motore a campo rotante che si trova in rotazione sviluppa nel funzionamento bifase una coppia motrice che ? inferiore a quella del funzionamento trifase ed ha andamento ellittico. La scelta delle due fasi non ha alcun effetto sull'andamento della coppia motrice. Il processo della commutazione bifase consente nel campo di funzionamento ipersincrono la desiderata riduzione della coppia. Il problema sta nel fatto che immediatamente prima della velocit? di rotazione sincrona occorre commutare sul funzionamento trifase.

Se l'inserzione della terza fase avviene troppo presto e quindi durante la coppia di rovesciamento come generatore, l'impulso di commutazione viene ridotto soltanto in misura insufficiente. Per? una inserzione troppo ritardata significa che l'azionamento lavora gi? nel funzionamento come motore a coppia motrice fortemente ridotta, e si trova gi? molto al di sotto della coppia nominale. In particolare, negli apparecchi di sollevamento questo stato deve venire impedito con sicurezza.

L'efficacia del procedimento descritto viene determinata in misura notevolissima dalla precisione dell'istante di inserzione della terza fase. Il minor dispendio ? rappresentato dalla inserzione ritardata, che per? funziona soddisfacentemente soltanto in casi eccezionali, perch? la durata della fase di frenatura ? raramente costante in pratica. Funziona in modo notevolmente pi? preciso ed esente da influenze estranee l'inserzione in dipendenza della velocit? di rotazione misurata. L'inconveniente di tale procedimento ? l'onerosit? tecnica del dispositivo di misura e dell'installazione.

Questo procedimento viene frequentemente adottato con un " ventilatore pesante" o una massa inerziale addizionale, perch? l'onerosit? tecnica ? ridotta, e non ? richiesto alcun comando addizionale. Sono eliminati i corrispond?nti contattori a tempo, i comandi elettronici nonch? il loro aggiustaggio e la loro installazione. La massa inerziale addizionale viene frequentemente eseguita sotto forma di auto ventilazione.

<? >Il funzionamento ? basato sul fatto che la massa inerziale addizionale ? un accumulatore dinamico di energia e attenua i processi di accelerazione durante la commutazione della velocit? di rotazione.

E' un inconveniente il fatto che questo procedimento venga attivato non soltanto durante la commutazione su una velocit? inferiore, ma anche durante ciascun processo di avviamento. Un altro e molto notevole inconveniente consiste nelle maggiori perdite. Il motore opera ad ogni processo di avviamento e commutazione in stato di rovesciamento della coppia ed ha pertanto perdite teoriche, che vengono ulteriormente accresciute dal prolungamento delle fasi di avviamento e di decelerazione. Un ricupero dell'energia cinetica della massa inerziale non ? possibile.

La frequenza di commutazione ammissibile dei motori, che vengono impiegati con funzionamento comandato da temporizzatori, si riduce considerevolmente o richiede accorgimenti addizionali per aumentare la resistenza al calore e per un raffreddamento addizionale. Accanto ai costi della complicazione tecnica, possono costituire un notevole inconveniente di questo procedimento anche i costi di esercizio dovuti alla maggior perdita di energia.

E' scopo dell'invenzione ridurre la coppia di commutazione alla velocit? inferiore dei motori a poli commutabili, in modo tale che essa corrisponda all'incirca al valore della coppia di avviamento. Si intende pertanto eliminare gli inconvenienti relativi ai procedimenti sopra citati per quanto riguarda il funzionamento, l'onerosit? tecnica e i costi di esercizio. Si vuole che i motori a poli commutabili impiegati a tale scopo non richiedano alcun dispositivo addizionale speciale, come per esempio un trasduttore tachimetrico.

Secondo l'invenzione, lo scopo suddetto viene raggiunto, con un procedimento del tipo sopra citato, per il fatto che quando si scende al di sotto di una determinata corrente di commutazione viene inserita la terza fase. Un dispositivo secondo l'invenzione per l'esecuzione del procedimento ? caratterizzato da un dispositivo di misura della corrente in una fase inserita, un dispositivo comparatore per il confronto della corrente reale con un valore di corrente di commutazione, e un interruttore nella terza fase da inserire.

L'invenzione elimina quindi, da un lato, una inserzione comandata a tempo della terza fase e, d'altro lato, l'onerosit? necessaria per la misura della velocit? di rotazione, ma impiega direttamente la corrente per la determinazione dell?istante di inserzione della terza fase. Si ? constatato che la corrente , in un primo tempo relativamente costante dopo la commutazione alla velocit? inferiore nel funzionamento bifase, cala fortemente prima del funzionamento sincrono, per cui con il calo della corrente provocato da ci?, pu? avvenire una inserzione della terza fase. Preferibilmente, l'inserzione della terza fase avviene quando la corrente del funzionamento bifase si ? ridotta a circa la met? rispetto al suo valore iniziale. Mediante il procedimento secondo l'invenzione e il dispositivo secondo l'invenzione possono essere fatti operare motori normalizzati.

Una precisa determinazione del valore della corrente di commutazione pu? avvenire per il fatto che la grandezza del valore della corrente di commutazione Viene determinata in base alla corrente bifase nel funzionamento iposincrono, in quanto per l'impostazione del valore di corrente di commutazione nel funzionamento bifase iposincrono i valori di commutazione vengono ripetutamente elevati, fino a che, per un valore di corrente di commutazione adatto, avviene l'inserzione della terza fase.

La particolarit? dell'invenzione consiste nel fatto che l'inserzione della terza fase avviene automaticamente, immediatamente prima della velocit? di rotazione sincrona. Questo ? l'istante di inserzione ottimale, perch? qui, nella transizione sulla caratteristica trifase, non avviene pi? alcun aumento della coppia e, nella transizione nel funzionamento come motore, ? disponibile l?intera coppia motrice.

Secondo forme di esecuzione preferite del dispositivo pu? essere previsto che il dispositivo di commutazione presenti un interruttore elettronico nella terza fase, l'interruttore elettronico essendo un triac oppure presentando due tiristor! disposti in antiparallelo nella terza fase. Per la commutazione della tensione di accensione degli interruttori elettronici, triac, o tiristor!, pu? inoltre essere previsto che il dispositivo di commutazione sia un rel? oppure presenti un optoaccoppiatore.

Altre forme di esecuzione del dispositivo secondo l?invenzione contemplano che siano previsti un dispositivo visualizzatore per l'indicazione dell'inserzione della terza fase del motore e un raddrizzatore sul lato di ingresso. Un tale dispositivo visualizzatore ? utile per la messa in funzione.

Il dispositivo secondo l'invenzione ? costituito da un apparecchio addizionale elettronico, che in connessione con usuali motori a poli commutabili reperibili sul mercato evita l'inconveniente della commutazione brusca sulla velocit? inferiore. L'apparecchio viene collegato unicamente in due fasi della linea di alimentazione del motore per l'avvolgimento ad alta polarit? e non richiede n? ?rgani di commutazione esterni n? una alimentazione di corrente addizionale.

L'istante della inserzione viene comandato da una unit? elettronica, che non richiede alcuna informazione esterna da parte di sensori o simili. L'istante di commutazione ottimale viene determinato esclusivamente dai dati elettrici, che vengono determinati internamente all?apparecchio di commutazione attraverso la linea di alimentazione del motore.

L'invenzione ha quindi origine dalla commutazione bifase sulla velocit? di rotazione inferiore. L'inserzione della terza fase avviene secondo l'invenzione automaticamente, immediatamente prima della velocit? di rotazione sincrona, mediante misura della corrente. Come elemento di commutazione viene impiegato un semiconduttore di potenza, come ad esempio un triac o un collegamento di tiristori in antiparallelo. L'alimentazione di corrente dell'unit? elettronica di commutazione pu? avvenire direttamente dalla rete del motore, ossia dalla fase la cui corrente viene misurata. L'istante di commutazione ottimale viene determinato esclusivamente dai dati elettrici di una linea di alimentazione del motore collegata all'avvolgimento a polarit? pi? elevata durante la commutazione di fase.

L'alimentazione di corrente dell'unit? elettronica di segnalazione avviene usando l'energia del segnale di misura del trasduttore di corrente.

Altri vantaggi e caratteristiche dell'invenzione si desumono dalle rivendicazioni e dalla seguente descrizione, nella quale sono chiariti in dettaglio esempi di esecuzione dell'invenzione con riferimento al disegno. Mostrano:

figura 1 le caratteristiche del motore nel funzionamento come motore e come generatore, trifase e bifase, in un motore a polarit? commutabile;

figura 2 l'andamento della corrente in un motore a polarit? commutabile; figura 3 uno schema circuitale a blocchi del dispositivo secondo l'invenzione per l'inserzione della terza fase in un motore a poli commutabili;

figura 4 una prima forma di esecuzione del dispositivo secondo l'invenzione per l'inserzione della terza fase in un motore a poli commutabili con un triac come interruttore, e

figura 5 un'altra forma di esecuzione corrispondente alla figura 4 con tiristori disposti in antiparallelo come interruttore.

La figura 1 mostra le coppie in un motore a poli commutabili. La curva A indica la coppia in funzione della velocit? di rotazione per il numero piccolo di paiapoli e, corrispondentemente, per la velocit? di rotazione pi? elevata. La curva B mostra le coppie per il funzionamento trifase col numero di paiapoli pi? elevato e quindi alla velocit? di rotazione inferiore. E' evidente che nel funzionamento ipersincrono o come generatore (a destra del passaggio per lo zero della curva) le coppie in valore assoluto sono considerevoli e sono notevolmente superiori a quelle corrispondenti al numero di paiapoli inferiore secondo la curva A. Ossia, che nella commutazione dalla velocit? di rotazione pi? elevata alla velocit? di rotazione inferiore e quindi dalla curva A alla curva B, si verificherebbero coppie considerevoli, che darebbero luogo ad una forte sollecitazione della meccanica, ossia del motore stesso e della macchina da esso azionata.

La curva C mostra le coppie nel funzionamento bifase per il numero di paiapoli pi? elevato e quindi per la velocit? di rotazione di sincronismo pi? bassa. Appare qui che alla commutazione nel funzionamento ipersincrono dal numero di paiapoli inferiore, con la velocit? di rotazione ad esso corrispondente, al numero di paiapoli pi? elevato, le coppie sono all'incirca dell?ordine di grandezza di quelle del funzionamento precedente del motore alla velocit? di rotazione pi? elevata (curva A). E? per? rilevabile che le coppie del funzionamento bifase durante la transizione a velocit? di rotazione iposincrone, ossia al funzionamento come motore, sono notevolmente inferiori per il numero di poli pi? elevato, per cui esiste qui il pericolo di una caduta nel caso di un apparecchio di sollevamento, mentre nel caso di un carrello non viene praticamente alimentata alcuna energia. Per contro, la coppia nel funzionamento come motore alla inserzione trifase con la polarit? pi? elevata risale nella regione della coppia corrispondente alla polarit? pi? bassa.

Da queste curve della coppia si desume quindi che ? desiderabile commutare in un primo tempo dal funzionamento come motore a basso numero di paiapoli (alta velocit? di rotazione, curva A) nel funzionamento bifase per il numero di paiapoli pi? elevato (velocit? di rotazione di sincronismo inferiore, curva C) e, alla velocit? di rotazione di sincronismo inferiore, inserire poi la terza fase, e quindi commutare nel funzionamento trifase col numero di paiapoli elevato (curva B).

Nella figura 2 ? visibile la corrente in funzione della velocit? di rotazione per il numero di paiapoli elevato e quindi per la velocit? di rotazione sincrona bassa. La curva D mostra la corrente nel funzionamento trifase, mentre la curva E mostra la corrente nel funzionamento bifase. E' evidente che con l'inserzione di sole due fasi (curva E) nel funzionamento come motore la corrente rimane al di sotto di un valore che viene assunto nel funzionamento come generatore in vicinanza della velocit? di rotazione sincrona. Nel funzionamento come motore con due fasi inserite, viene determinato il valore della corrente per il quale dopo la commutazione verso la velocit? inferiore, nel funzionamento come generatore, partendo dalle due fasi, deve venire inserita la terza fase (fase Ein). A tale scopo, mediante un potenziometro viene impostato un valore di corrente che viene elevato durante pi? cicli di corsa, fino a che nel funzionamento come motore avvenga una inserzione della terza fase, ossia una commutazione dalla curva E alla curva D (figura 2).

Questo valore di corrente viene quindi assunto come valore della correiite di commutazione per l'inserzione della terza fase nel funzionamento come generatore, dopo che ? avvenuta in un primo tempo la commutazione dalla velocit? di rotazione elevata alla velocit? di rotazione bassa nel funzionamento bifase, come sopra spiegato.

Un dispositivo o circuito secondo l'invenzione (figura 3) prevede a tale scopo in una delle fasi collegate nel funzionamento bifase, per esempio L2, L2', un misuratore di corrente 1, che attraverso una unit? elettronica di confronto 2 chiude un interruttore (3) nella fase inizialmente non inserita nel funzionamento bifase, come per esempio la terza fase L3, per cui questa al raggiungimento del valore di corrente di commutazione determinato viene parimenti inserita e in tal modo collegata per il funzionamento iposincrono o come motore in trifase. La fase LI ? collegata con collegamento continuo. Con rispettivamente K1 e K2 sono indicati i contatti per l'inserzione della velocit? di rotazione rispettivamente pi? lenta e pi? rapida.

Forme di esecuzione concrete del dispositivo secondo l'invenzione sono rappresentate nella figura 4. Con L2, L2' ? indicata a sua volta una fase degli avvolgimenti del motore inserita nel funzionamento bifase. 1 indica ancora la misura della corrente e il prelievo di corrente da questa fase. La corrente pu? venire prelevata tramite un convertitore corrente - tensione 14 e un raddrizzatore 15 (figura 5). Essa viene applicata ad un ingresso di un comparatore 6, il cui altro ingresso ? alimentato con il suddetto valore di corrente di commutazione (valore di riferimento Vref) attraverso un potenziometro 7- (figura 4). Il circuito presenta inoltre un transistore 8, con il quale sono collegati un visualizzatore 9 nonch? un interruttore 11, quest'ultimo potendo essere un optoaccoppiatore o un rel?. Tramite l'interruttore 11 viene reso conduttivo un interruttore elettronico 13 nella terza fase da inserire del motore, come la fase L3, L3'.

L'interruttore elettronico 13 pu?, come rappresentato nella figura 4, essere un triac, che opera bidirezionalmente.

In sua vece possono anche essere disposti in parallelo nella linea di alimentazione della fase L3, L3' due transistori 16, 17 in antiparallelo, che in questo caso richiedono tuttavia ciascuno un segnale di commutazione per il pilotaggio (figura 5).

Il comparatore 6 ha una isteresi di commutazione per l'inserzione e disinserzione della terza fase in dipendenza della corrente misurata. Con una variazione del livello di commutazione viene a tale scopo variata insieme proporzionalmente anche l'isteresi.

Nella commutazione suH?awolgimento ad alta polarit? si crea nel funzionamento trifase una corrente che supera ampiamente il livello "fase aus" (figura 2). In tal modo viene garantito che il circuito passi subito al funzionamento bifase. Quando ora l'azionamento si avvicina alla velocit? di rotazione sincrona, la corrente cala nel funzionamento bifase e scende al di sotto del livello di commutazione "fase ein" (figura 2). In tal modo la terza fase viene reinserita. La corrente che ora si crea presenta un piccolo aumento, che per? non ? affatto sufficiente per superare nuovamente il livello di commutazione " fase aus". In tal modo il sistema rimane nel funzionamento trifase. E' importante nella scelta delle soglie di commutazione che la corrente nel funzionamento come motore non superi in alcun caso la soglia di commutazione (fase.- aus"). Ci? non deve accadere nemmeno quando il motore viene caricato fino al bloccaggio, il che contemporaneamente corrisponderebbe anche allo stato dell'avviamento a velocit? di rotazione 0.

L'impostazione del livello di corrente corretto ha luogo a motore fermo. A tale scopo, si comincia con un livello di inserzione basso e viene inserito l'avvolgimento ad alta polarit?. Per il basso livello di commutazione la soglia "fase aus" viene superata e il motore viene posto in funzionamento bifase. Pertanto, a partire dalla velocit? di rotazione 0 esso non sviluppa alcuna coppia. Il livello di commutazione viene ora lentamente elevato, fino a che il livello "fase ein" superi la corrente di avviamento bifase del motore fermo. L'isteresi associata in modo fisso a questo livello di commutazione provoca un livello di commutazione "fase aus", che si trova con sicurezza al di sopra della corrente di avviamento o di cortocircuito trifase del motore. Il fotodiodo incorporato indica questo processo di commutazione e serve quindi come aiuto per l'impostazione.

Il presupposto importante per il funzionamento del circuito ? il fatto che la corrente di fase sia nettamente inferiore nel punto di lavoro sincrono a quella a motore fermo, quando viene eseguita la taratura. Per apparecchi di sollevamento si prevede di mantenere chiuso il freno del motore durante la taratura. Ci? non costituisce un problema, fino a che il motore ? collegato soltanto a due fasi. Quando con una taratura corretta la terza fase viene inserita automaticamente, occorre subito dopo interrompere il collegamento con la rete e/o aprire il freno, affinch? il motore non venga fatto funzionare inutilmente a lungo in questo stato (usura del freno e/o riscaldamento del motore).

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per l? commutazione di un motore a poli commutabili sulla velocit? di rotazione inferiore, in cui in un primo tempo avviene una commutazione bifase sulla velocit? di rotazione inferiore, caratterizzato dal fatto che quando si scende al di sotto di una determinata corrente di commutazione viene inserita la terza fase.
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la grandezza del valore di corrente di commutazione viene determinata dalla corrente bifase nel funzionamento iposincrono.
3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che per l'impostazione del valore di corrente di commutazione nel funzionamento iposincrono bifase deH'avvolgimento ad alta polarit? la soglia di commutazione viene costantemente aumentata, fino a che non avvenga per il valore di corrente di commutazione adatto l'inserzione della terza fase.
4. Procedimento secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che la corrente di una fase viene confrontata con il valore di corrente di commutazione impostato e quando scende al di sotto di esso avviene l?inserzione della terza fase.
5. Procedimento secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che il segnale di misura della corrente serve per l'alimentazione di energia nei processi di commutazione.
6. Dispositivo per l'inserzione della terza fase di un motore a poli commutabili, in cui in un primo tempo avviene una commutazione bifase sulla Velocit?- di rotazione inferiore, caratterizzato da un dispositivo di misura della corrente (1) in una fase inserita, un dispositivo comparatore (2) per il confronto della corrente reale con un valore di corrente di commutazione e da un interruttore (3) nella terza fase da inserire- (L3-L3').
7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che il dispositivo di commutazione (3) presenta un interruttore elettronico (13) nella terza fase (L3-L3?). B.
Dispositivo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che rinterruttore elettronico ? un triac (13).
9. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che l?interruttore elettronico presenta due tiristori disposti in antiparallelo nella terza fase (L3-L3').
10. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 6 a 9, caratterizzato da un dispositivo di commutazione per la corrente di accensione degli interruttori elettronici.
11. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che il dispositivo di commutazione ? un rel?.
12. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che il dispositivo di inserzione presenta un optoaccoppiatore.
13. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 6 a 12, caratterizzato un dispositivo visualizzatore (9) per l'indicazione dell'inserzione della t (L3, L3') del motore.
14. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 6 a 13, caratterizzato da un raddrizzatore sul lato di ingresso.
15. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 6 a 14, caratterizzato da alimentazione di energia tramite il segnale di misura della corrente.