BR102013026866A2

BR102013026866A2 - Método para ajustar aplicação de energia elétrica em um sistema de controle de motor, método para operar motor de corrente alternada e sistema de motor de corrente alternada

Info

Publication number: BR102013026866A2
Application number: BRBR102013026866-6A
Authority: BR
Inventors: Alexander Cameron Crosman Iii; Joshua M Williams
Original assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2014-10-14
Also published as: US8928260B2; US20140111125A1; US20150028782A1; US9344028B2

Abstract

RESUMO “MÉTODO PARA AJUSTAR APLICAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM UM SISTEMA DE CONTROLE DE MOTOR, MÉTODO PARA OPERAR MOTOR DE CORRENTE ALTERNADA E SISTEMA DE MOTOR DE CORRENTE ALTERNADA” Um sistema de motor de tração calcula o fluxo de motor gerando uma resistência efetiva em tempo real de uma grade de resistência calculada a partir do torque do motor e voltagem medida em um link CC. O cálculo da resistência efetiva evita somente confiar na voltagem de link CC que pode ser afetada por condições tal deslizamento de roda e desligamento de uma ou mais grades de resistência. O cálculo da resistência efetiva se baseia nos valores de nominais de motor usando níveis e condições de potência conhecidas. A partir destes valores nominais e da resistência efetiva, vários fatores de escala, com base na potência de motor real, podem ser gerados e usados para ajustar referência de fluxo nominal para refletir, com maior precisão, o fluxo de motor real. Os fatores de escala incluem fatores de escala de potência e torque, e fator de escala de resistência ativa, em condições, tais como, deslizamento de roda. 1

Description

I "MÉTODO PARA AJUSTAR APLICAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM UM SISTEMA DE CONTROLE DE MOTOR, MÉTODO PARA OPERAR MOTOR DE CORRENTE ALTERNADA E SISTEMA DE MOTOR DE CORRENTE ALTERNADA"

5 Campo Técnico

A presente invenção relaciona-se geralmente a motores motrizes elétricos, e, mais particularmente, a uma estimativa de fluxo em motores motrizes elétricos, durante operação de frenagem.

Histórico da Invenção

A operação de motores de tração, por exemplo, em locomotivas ferroviárias, compreende diversas camadas de controle para controlar ambas, operação de propulsão (motriz) e operação de retardo (frenagem). Por exemplo, 15 embora um operador possa ajustar um acelerador, o controlador de nivel superior pode prover aceleração ou desaceleração, e um controlador de nivel inferior pode ajustar o torque com base na designação de aceleração ou desaceleração. Ainda que as relações sejam facilmente 20 calculadas em um caso ideal, a implementação de um controle em um dado nivel pode requerer diferentes dados relativos ao ambiente operativo do sistema de acionamento para executar os necessários controles. Por exemplo, para gerenciar torque em um motor de tração, faz-se necessário 25 conhecer o fluxo de motor para controlar inversores, de modo apropriado, que ajustam voltagem e fase do motor. Em uma condição ideal, a voltagem de link CC (Corrente Continua) pode ser usada para estimar o fluxo. No entanto, muitas condições reais, incluindo 30 deslizamento das rodas e desligamento de grade resistiva, contribuem para introduzir mudanças na voltagem do link, que pode levar a substanciais erros no cálculo do fluxo. Um tipico sistema de acionamento (drive system) CA (Corrente Alternada) um veiculo pode incluir diversos 35 inversores, cada um deles controlando um ou mais motores, todos conectados a um link CC comum. Quando os motores estão operando em um modo de retardo, a energia é suprida dos motores para um link CC, e a energia gerada é dissipada comumente em uma grade resistiva. A voltagem de link CC, neste modo de operação, é relacionada à energia total produzida por todos inversores/ motores, enquanto eles alimentam a energia à grade resistiva. Em geral, isto significa que torque ou potência mais alta gerada por um inversor/ motor aumenta a voltagem do link CC, no entanto, nem sempre há uma relação de um para um para cada contribuição de inversor para a voltagem do link CC liquida, devido à falta de consistência entre outros inversores, que também estão conectados ao link CC. Para manter a desejada eficiência e precisão de torque, é requerido ajustar com precisão a referência de fluxo de motor de tração no modo de retardo. Esta referência de fluxo, então, pode ser usada em métodos de controle-vetor típicos para ajustar alvos de corrente e voltagem para controle do motor. Idealmente, esta referência de fluxo varia com voltagem de link CC (entre outras entradas) para maximizar o fluxo, e, por conseguinte, a eficiência.

Tipicamente, a referência de fluxo é ajustada com base em uma medição da voltagem de link CC. Particularmente, durante a frenagem, a referência de fluxo afeta a corrente de eixo de quadratura Iq, que, por sua vez, 25 afeta o torque. O torque afeta a potência e a potência afeta a voltagem do link CC. Esta trajetória circular pode levar a oscilações e instabilidades, porque a referência necessariamente é atrasada em relação à medição, causando diferenças entre o fluxo real e 30 referência de fluxo.

Outra solução é ajustar a referência de fluxo com base na referência de torque do inversor. Em um sistema de inversor único, isto funciona bem, mas em sistemas onde múltiplos inversores podem operar em diversos níveis de 35 voltagem no link CC, na falta de relação de um para um entre torque e voltagem, torna esta solução problemática. É necessário desenvolver uma referência de fluxo mais indiretamente, de modo que a falta de informação e inerente instabilidade nas medições tradicionais sejam evitadas, e reagindo corretamente aos requisitos de torque.

5 Sumário da Invenção

Em um aspecto da presente invenção, um método para ajustar aplicações de energia elétrica em um sistema de controle de motor usando um motor CA acionado por um banco inversor, que é acoplado a uma grade resistiva, 10 durante operação de retardo, inclui calcular um fator de frenagem como razão de voltagem CC de potência nominal versus voltagem CC de frenagem nominal, calcular fator de escala de resistência como razão de resistência de grade medida versus resistência de grade base, e determinar que 15 a operação se encontra em uma de região de potência constante ou região de torque constante. O método pode adicionalmente incluir multiplicar uma voltagem de link CC, fator de frenagem, fator de escala de resistência, e um de fator de escala de potência, quando se encontra em 20 uma região de potência constante, ou fator de escala de torque, quando se encontra em uma região de torque constante, para gerar uma estimativa de fluxo ajustada, e prover uma operação de inversor para ajustar o torque do motor com base na estimativa de fluxo ajustada, onde 25 o fator de escala de potência é função do torque medido vezes a frequência mecânica versus torque característico vezes frequência mecânica de ponto de vértice, e o fator de escala de torque é função do torque medido versus torque característico.

Em outro aspecto da presente invenção, outro método para operar um motor CA acionado por inversor inclui determinar uma constante de resistência de base usando características do motor em uma primeira frequência de rotação de motor, onde a primeira frequência de rotação 35 é definida em um ponto de transição entre operação de torque constante do motor e a operação de potência constante do motor (frequência de "joelho"). O método também inclui calcular potência de motor em função do torque real e frequência de rotação de motor real, calcular resistência efetiva no inversor em função da potência de motor e voltagem no link CC, e calcular 5 referência de fluxo estimada em função da voltagem do link CC, resistência efetiva, e constante de resistência base.

Em ainda outro aspecto da presente invenção, o sistema de motor CA adaptado para ajustar um fluxo de motor com base 10 na potência de motor, voltagem de link CC e resistência efetiva em um inversor, usado para acionar motor CA, pode incluir um gerador CA, retificador que converte a saída do gerador em CC, link CC acoplado ao retificador, e grade resistiva seletivamente acoplada ao link CC.

Uma pluralidade de motores CA e pluralidade inversores, cada inversor da pluralidade de inversores eletricamente acoplando o link CC ao respectivo motor CA da pluralidade de motores CA, o sistema também pode incluir um controlador acoplado ao link CC, grade resistiva, e cada 20 inversor da pluralidade de inversores, o próprio controlador incluindo processador e memória, armazena instruções, quando executadas no processador, fazem o controlador: (i) calcular o fluxo estimado com base, pelo menos em parte, na resistência efetiva da grade em cada 25 inversor da pluralidade de inversores, onde a resistência efetiva é calculada a partir do torque real, frequência de rotação real, voltagem de link CC, e constante de resistência base; e (ii) ajustar o ajuste de cada inversor da pluralidade inversores, que controla o torque 30 do motor CA associado a cada inversor.

Descrição Resumida dos Desenhos

A Figura 1 é um diagrama esquemático de um sistema de acionamento de motor CA;

A Figura 2 é um gráfico de curva exemplar de potência versus velocidade do motor; e

A Figura 3 é um fluxograma de um método exemplar operando um motor CA acionado por inversor. Descrição Detalhada

Sistemas de acionamento de motor CA, tais como aqueles usados em locomotivas, usam inversores para gerar formas de onda de estator especializadas em eixo direto 5 (corrente d, ou Id) e eixo de quadratura (corrente q ou Iq) para controlar o torque do motor. Operando no modo propulsão ou motriz, a energia a partir de um link CC é aplicada ao motor. No modo de retardo (frenagem), a energia gerada pelo motor pode ser dissipada em uma 10 grade resistiva. Alternativamente, a energia gerada no modo de frenagem pode ser recuperada em baterias ou capacitores .

Geralmente, em operações diferentes de propulsão ou frenagem de pico, o inversor efetivamente isola seu respectivo motor do link CC. No entanto, em tais situações de potência máxima, a razão entre a voltagem CC e voltagem de motor, a chamada razão de modulação, é ajustada em seu valor máximo, e a voltagem aplicada ao motor varia diretamente com a voltagem do link CC. De modo correspondente, o fluxo do motor também varia diretamente com a voltagem de link CC. Em conseqüência, mesmo que o controlador que gerencia o inversor não controle o fluxo, ele ainda é necessário para prover uma boa estimativa do fluxo real, de modo que as referências de corrente Iq sejam precisas, e a produção de torque possa ser corretamente gerenciada.

Como será discutido em detalhes abaixo, a referência de fluxo pode vir a ser desenvolvida, usando uma combinação de termos "alimentação-direta" ("feedforward") e "retroalimentação" (feedback), com base em características do motor e medições disponíveis ao controlador.

A Figura 1 é um diagrama esquemático de um sistema de acionamento de motor CA 10 adequado para uso em implementar técnicas de gerenciamento de motor e 35 estimativa de fluxo descritas. Conquanto a discussão seguinte seja provida com respeito a uma locomotiva multi-eixos e multi-truques, outras aplicações, onde motores acionados por inversores compartilham link CC comum, podem se beneficiar deste sistema e método.

0 sistema 10 pode incluir um gerador 12, que provê energia CA a um retificador 14, que, por sua vez, gera energia CC para link CC. Cada inversor da pluralidade de inversores 18 é acoplado ao link CC 16. No modo de propulsão, os inversores 18 podem gerar energia trifásica para seus respectivos motores 20, ajustando voltagem e/ou voltagem de fase disponível no link CC 16, para respectiva fase de motor de modo bem conhecido. No modo de retardo ou frenagem, cada um dos inversores 18 pode retornar a energia gerada por seu respectivo motor 20 ao link CC 16, que pode vir a ser dissipada em uma grade resistiva 26 comum a cada um dos inversores 18. Em algumas configurações, cada um dos inversores 16 pode ter uma grade resistiva separada (não representada).

No caso de uma locomotiva de controle por eixo, geralmente há seis conjuntos de motor-inversor, cada conjunto movendo um eixo. Em outras configurações, uma 20 locomotiva pode ter mais ou menos eixos. Em geral, todos os inversores 18 são acoplados a um link CC 16 comum, assim como à grade resistiva 26, que pode ser seletivamente ligada/ desligada via chaves 28 sob comando de um controlador 30. Casos especiais, particularmente 25 em configurações de controle por truque, serão discutidos abaixo. O controlador 30 pode incluir uma memória 32 e processador 34. O controlador 30 também pode incluir entradas 36, 38 do link CC 16, saída de controle 40 para as chaves de grade 28, e linhas de controle 42, 44, 30 para cada inversor individual da pluralidade de inversores 18. As linhas de controle 42, 44 também podem incluir um retorno sensoreado dos inversores, para uso na determinação do estado de cada inversor, tal como força retro-eletromotiva (EMF) nas fases do motor.

O controlador 30 pode ser reativo a um sistema de controle de nível superior, tal como controle de cabine usado por um operador/ engenheiro ou controlador intermediário, que converte uma mudança na posição do acelerador para solicitação de aceleração ou desaceleração de potência que, por sua vez, pode ser convertida em requisito de torque no controlador 30.

Em algumas configurações, o controlador 30 pode ser fisicamente implementado como controladores individuais (não mostrados) cada um deles controlando um inversor.

A memória 32 pode incluir qualquer combinação de memória volátil, não-volátil, incluindo mídia rotativa, memória flash, RAM convencional, ROM ou qualquer outra memória programável não-volátil, mas não inclui ondas portadoras ou outras mídias propagadas.

A memória 32 pode incluir armazenamento de vários aspectos de operação do controlador 30, incluindo vários 15 módulos que implementam um sistema operacional, utilidades, e programas operacionais, assim como armazenamento de curto e longo prazo, para vários ajustes e variáveis usadas durante operação.

0 processador 34 pode ter qualquer um de um número de arquiteturas de processador de computador bem conhecidas, incluindo, sem limitação, processadores de chip único, ou arquiteturas de computador convencionais.

Em operação, com a locomotiva no modo de propulsão, a voltagem de link CC é função do gerador 12, e a energia 25 no link CC é transmitida para um motor 24 da pluralidade de motores 20 através de seu inversor 22 da pluralidade de inversores 18. Ao contrário, no modo de frenagem, os motores 20 suprem energia por seus respectivos inversores

18. Durante frenagem, as chaves 28 são fechadas, e, 30 em uma configuração, a energia gerada pelos motores 20 é dissipada na grade resistiva 26. No modo de frenagem, a voltagem no link CC é função da grade resistiva, e a corrente é produzida pela pluralidade de inversores 18. Em qualquer modo, é importante que o controlador 30 tenha 35 uma referência de fluxo que corresponda ao fluxo real do motor, porque o torque do motor é o único ajuste de interesse neste nível de controle, e o torque é função direta do fluxo.

Quando o motor 24 está operando fora da região de "um pulso", a voltagem do motor (a voltagem entre inversor e motor) é alguma fração da voltagem de link CC 5 baseada na razão de modulação, permitindo que o inversor 22 mantenha uma voltagem constante no motor 24, mesmo com variações de voltagem no link CC. No entanto, quando operando na região de "um-pulso", cada razão de modulação é ajustado em Um, e a voltagem no link CC 16 10 é transferida diretamente para cada um dos motores 20. Por conseguinte, não há condição de corrigir mudanças na voltagem de link CC, devido a variações de carga velocidade de gerador etc.. Similarmente, no modo de frenagem, em razão de a grade resistiva ter uma 15 resistência fixa, a voltagem de link CC é puramente função da saída de energia a partir da pluralidade de motores 20. Ainda que nesta região de "um-pulso", o controlador 30 não controle o fluxo do motor, e ainda é necessário dispor de uma boa estimativa do fluxo real, de 20 modo que os cálculos da referência de corrente de eixo-q são precisos, provendo uma produção de torque precisa. Durante operação nominal de "um-pulso", cada conjunto inversor-motor opera virtualmente de modo idêntico, e a estimativa do fluxo de motor se correlaciona diretamente 25 com a voltagem no link CC 16. No entanto, mesmo nesta situação nominal, usar a voltagem de link CC simplesmente para estimativa de fluxo apresenta diversos problemas. Primeiro, particularmente, durante a frenagem, a voltagem de link CC se relaciona diretamente com a energia criada 30 pelos motores 20, que é diretamente relacionada com a estimativa de fluxo, que é usada para calcular Iq que afeta torque, e, afetando o torque, completa um Ioop completo para a voltagem de link CC. Por causa de haver atrasos neste Ioop de controle usando voltagem de link 35 CC, podem ocorrer oscilações e instabilidades. Segundo, diversas condições podem ocorrer, que adicionalmente complicam o uso de voltagem de link CC somente para criar uma estimativa de fluxo.

Uma condição que afeta voltagem de link CC consiste no deslizamento das rodas, onde as rodas físicas de uma locomotiva deslizam sobre os trilhos, fazendo que, 5 durante a frenagem, um motor mude de velocidade, e produza menos potência que os demais motores. Este carregamento desigual muda a voltagem de link CC, de modo imprevisível, de modo que a relação entre a voltagem de link CC e o fluxo de motor, disponível em operação 10 normal, deixa de ser válida.

Outra condição que afeta a voltagem de link CC é desligamento (cut out) de inversor. Em alguns casos, quer por projeto ou falha, um ou mais inversores 18 podem ser desligados, mudando a relação original entre a voltagem de link CC e o fluxo de motor, disponível em operação nominal, deixa de ser válido, porque o número de inversores-motores no sistema 10 foi alterado, a combinação de termos "alimentação-direta" e "retroalimentação" pode ser usada para reduzir instabilidades causadas por atrasos de Ioop no link CC 16 e levar em conta condições de deslizamento de roda e desligamento de inversor. Uma relação suscetível de avaliação entre corrente, voltagem, e potência e a definição de enlace de fluxo, pode ser usada para gerar ambos os termos, "alimentação-direta" e "retro-alimentação".

Na discussão que se segue, as variações são definidas por:

Te8= Torque do motor no nível de aceleração 8,

Te= Torque do motor,

Tdbb= Torque do motor durante frenagem dinâmica no nível de aceleração 8,

Omc= Frequência mecânica do motor em uma frequência de "joelho", definida em um ponto de transição entre operação de torque constante do motor e operação de potência constante do motor

Om= Frequência mecânica do motor,

Vdc_thb= Voltagem de link CC, no modo de propulsão do nível de aceleração 8, e

Vdc_dbb = Voltagem de link CC, no modo de frenagem no nível de aceleração 8,

Vdc= Voltagem de link CC,

Pcc= Potência elétrica produzida por um motor,

Reff= Resistência de grade nominal per inversor,

Rbase= Resistência de grade nominal per inversor no nível de aceleração 8, η= Eficiência do motor,

K= Constante do motor.

Um enlace (Iinkage) de fluxo (À) é definido na Equação

(D ;

s ir

(1)

Por definição:

(2) , e

Pdc= rI · Τε.Om

(3

(4)

Referindo-se brevemente à Figura 2, para uma dada configuração de motor, um conjunto consistente de valores pode ser determinado, envolvendo um ponto de operação de motor bem conhecido. Esta condição é caracterizada com um 25 motor individual 24 no modo de propulsão no ponto de transição entre a operação de torque constante e operação de potência constante, com aceleração no máximo, que é chamado nível de aceleração 8. 0 ponto de transição é chamado "joelho", e ocorre em uma frequência de motor 30 omc. A Figura 2 ilustra um gráfico 60 de velocidade versus potência, e mostra o "joelho" na transição entre torque constante e potência constante. Termo "Alimentação Direta".

0 fator de escala de potência "Alimentação Direta" pode ser usado para modificar a estimativa de fluxo base que toma variação de fluxo com base no estado do motor. 5 0 valor real varia com base em se o motor está operando na região de potência constante ou região de torque constante.

Operando na região de potência constante, o fator de escala de potência pode ser calculado como razão de enlace de fluxo de corrente dividido por um enlace de fluxo nominal no "joelho".

f f ■■ ?!' T ^

■s íi < --f >-f> , <

_ ______ I 1 g '

■x ; $ «γ

**·» · Tm ' Λ| " mmc

í* . ................................................

(5)_

Para operação na região de torque constante, onde a razão de modulação não é maximizada e fixada, os termos de frequência de motor podem ser ignorados, e o fator de escala de torque é representado pela Equação 6.

,■4 I i f!

J 'Sv „v

(6)

Para levar em conta mudanças na voltagem de link CC entre modos de propulsão e frenagem, um fator de frenagem pode ser calculado. Referindo-se à Equação 7, a potência do motor no modo de propulsão no "joelho", e a potência no modo de frenagem no "joelho" são relacionadas ao quadrado 25 da relação da voltagem em cada condição.

. x > —. «r . , * - f vDCjrm \

* “““ *!>í?S * I I

ü€J>b&*

( 7) _

Portanto, uma constante de fator de frenagem pode ser desenvolvida como: Termo "Retro-Alimentação" (Feedback) Por fim, usando resistência efetiva, ou seja, resistência vista no inversor, o impacto das mudanças de voltagem de link CC, causado por deslizamento de roda ou desligamento de inversor, pode ser levado em conta.

Primeiro, observando a relação entre o modo de propulsão versus o modo de frenagem, a Equação 7 pode ser usada para modificar a Equação 5, para desenvolver o fator de escala da Equação 9 .

Fator de Escala de Resistência =

s K '' ......................................... t

-JJ T.«; Si"."

(9)

Em um ambiente puramente elétrico, "Potência" é definida como P= I2.R, onde I é corrente e R resistência. No entanto, no ambiente de motor CA da configuração exemplar, a corrente do motor não é medida, primariamente por causa do impacto de colocar um sensor de corrente no circuito de acionamento. Uma forma alternativa de Equação de Potência é P= V2/R onde V é Voltagem, e R= V2/P. Vantajosamente, a potência do motor 24 pode ser calculada a partir de valores de torque e frequência do motor. Uma resistência base associada à condição de nível de aceleração 8 pode ser calculada e usada como constante, e.g. como na Equação 10. A resistência efetiva também pode ser determinada usando voltagem e frequência de motor medidas, como ilustrado na Figura 11.

v KfsV íiSíss O fator de escala, então, pode ser restabelecido em termos de parâmetros disponíveis ao controlador 30 e constante Rbase · Ainda que a potência elétrica se relacione com a potência do motor através de um fator de 5 eficiência de motor η (como pode ser visto na Equação 3), assumindo que a eficiência do motor é constante, o termo "eficiência do motor" é eliminado na equação seguinte. Fator de Escala de Resistência =

(12)

Em velocidades muito baixas, onde se espera que a voltagem de link CC seja suportada somente pelo gerador 12, o fator de escala de resistência pode ser restringido à unidade.

Conclusão

O uso de fator de frenagem, fator de resistência, e quer fator de potência ou fator de torque, acomoda uma estimativa de fluxo para cada condição de operação, como segue:

Para um carregamento balanceado normal, com todos os inversores (online) operando, e todas as trajetórias de grade ativas: o fator de escala de resistência é unitário e quer o fator de escala de potência ou fator de escala de torque ajusta o valor de fluxo nominal para seguir 25 voltagem de link CC, onde o fator de escala apropriado é selecionado com base em um ponto de operação de motor. Para um carregamento balanceado com um inversor desligado ("cutout") e todas as trajetórias de grade ativas com menos inversores produzindo energia, uma solicitação de 30 torque normal para um inversor resulta em uma energia de sistema total menor e voltagem de link CC menor. Nesta situação, o fator de escala de resistência é menor que Um, provendo a desejada redução no fluxo para corresponder a uma voltagem de link CC menor para a solicitação de torque normal.

Para um carregamento balanceado, com dois inversores desligados, e uma trajetória de grade ativa: nesta situação há mais inversores ativos per trajetória de 5 grade que normal, então, uma solicitação de torque normal para cada inversor, resulta em uma voltagem de link CC mais alta que normal. Em conseqüência, o fator de escala de resistência é maior que Um, provendo o desejado aumento na referência de fluxo, para corresponder 10 à voltagem de link CC maior para a solicitação de torque normal.

Para todos inversores (on line) operando com diferentes carregamentos entre todos inversores devido, por exemplo, a um deslizamento de roda, para inversores de carga leve, 15 a voltagem de link CC parece artificialmente alta, que faz o fator de escala de resistência subir, aumentando fluxo apropriadamente, para corresponder à voltagem disponível; e para inversores de carga mais pesada, a voltagem de link CC parecerá artificialmente baixa, que 20 faz o fator de escala de resistência baixar, cortando fluxo para corresponder à voltagem disponível.

Outras configurações.

Em aplicações de controle de truque, onde cada um dos inversores opera com ligações CC isoladas, a referência de torque é tudo que é necessário para prover estimativa de fluxo, porque há uma relação de um para um entre torque e velocidade para voltagem de link CC. Em uma locomotiva com controle de truque com links CC não isolados há dois inversores e duas trajetórias de grade, de modo que se um inversor for desligado, uma trajetória de grade também será desativada. Assim, os presentes sistema e método atendem operação normal e desligamento de inversor. No entanto, o sistema descrito pode não atender apropriadamente à situação de controle de truque de link CC, onde dois inversores estão operativos, mas não igualmente carregados, tal como, quando um inversor é descarregado devido a deslizamento de roda. A Figura 3 ilustra um método 70 para ajustar aplicação de energia elétrica a um sistema de acionamento de motor 10 usando um motor CA 24, acionado por um inversor 22, acoplado a uma grade resistiva 26 durante operação de 5 retardo.

No bloco 72, um fator de frenagem pode ser calculado como razão de uma voltagem CC de potência nominal versus voltagem CC de frenagem nominal, por exemplo, como pode ser visto na Equação 8.

Uma constante de resistência base também pode ser calculada, usando características do motor 24 em uma primeira frequência de rotação de motor, onde a primeira frequência de rotação de motor define uma transição entre uma operação de torque constante do motor 24 e operação 15 de potência constante do motor 24 (frequência de joelho), como pode ser visto na Equação 10. Ademais, uma constante de voltagem pode ser calculada como a razão entre voltagem do link CC, em um modo de propulsão no nível de aceleração 8 na frequência de joelho e uma voltagem de 20 link CC em um modo de frenagem no nível de aceleração 8 na frequência de joelho, como pode ser visto na Equação 7 .

No bloco 74, a potência de motor pode ser calculada em função do torque real e frequência de rotação de motor real, como pode ser visto na Equação 3.

No bloco 76, um fator de escala de resistência pode ser calculado como razão de resistência efetiva de grade versus resistência de grade base, onde a resistência efetiva do inversor é função de potência do motor e voltagem de link CC, como pode ser visto na Equação 11.

No bloco 78, uma determinação pode ser feita com respeito a se a operação do motor se encontra em uma região de potência constante ou região de torque constante, como descrito acima com respeito à Figura 2. Em geral, esta 35 determinação pode ser feita pelo controlador 30 com base na frequência de motor, usando características conhecidas do motor, e conhecimento da corrente condição operacional do motor 20.

Quando a operação do motor se encontra em uma região de potência constante, a execução pode prosseguir no bloco 80, onde a estimativa de fluxo nominal pode ser 5 multiplicada por voltagem de link CC, fator de frenagem, fator de escala de resistência, e fator de escala de potência, para gerar a estimativa de fluxo ajustada. Como discutido, o fator de escala de resistência é função da resistência efetiva e constante de resistência base como 10 pode ser visto na Equação 11 e o fator de escala de potência é função de torque medido vezes a frequência mecânica, como pode ser visto na Equação 5.

No bloco 82, a operação do inversor pode ser ajustada, para ajustar o torque do motor com base na estimativa de fluxo ajustada.

Quando, no bloco 78, a operação do motor se encontra em uma região de torque constante, a execução pode prosseguir para o bloco 84, onde a estimativa de fluxo nominal pode ser multiplicada por voltagem de link CC, 20 fator de frenagem, fator de escala de resistência, e fator de escala de torque, para gerar estimativa de fluxo ajustada. O fator de escala de torque é função de um torque medido, como pode ser visto na Equação 6. A execução, então, pode prosseguir para o bloco 82, como 25 descrito acima.

A partir do bloco 82, o processo prossegue, retornando para o bloco 74, e seguindo como descrito acima.

Aplicação industrial

Em geral, aplicações usando motores CA acionados por 30 inversores podem se beneficiar das técnicas descritas acima. Mais particularmente, locomotivas ferroviárias usando o controle de eixo ou controle de truque com ligações CC não-isoladas, podem experimentar um aumento de eficiência e precisão de controle potência em 35 conseqüência de uma estimativa de fluxo melhorada, particularmente durante frenagem. Em razão de as locomotivas serem sujeitas a situações de mundo real, que são imprevisíveis, tais como desligamento de inversor e deslizamento de roda, a condição de chegar a uma estimativa de fluxo correta provê um nível de comando não encontrada na técnica anterior.

0 aumento corrente no tráfego ferroviário comercial, combinado com esforços em andamento para melhorar eficiência e condição ambiental, cria um clima onde o gerenciamento de torque de motor, e, portanto, o controle de potência provido pelo motor, está a prêmio.

As técnicas de estimativa de fluxo descritas acima provêem um recurso adicional para atender estas demandas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para ajustar aplicação de energia elétrica em um sistema de controle de motor, usando um motor CA acionado por um banco inversor, que é acoplado a uma grade resistiva de operação de retardo, caracterizado pelo fato de compreender: - calcular um fator de frenagem, como razão de voltagem CC de energia nominal versus voltagem CC de frenagem nominal; - calcular um fator de escala de resistência, como razão de resistência de grade medida versus resistência de grade base; - determinar que a operação do motor se encontra em uma de região de potência constante ou região de torque constante; - multiplicar uma voltagem de link CC, fator de frenagem, fator de escala de resistência, e um de fator de escala de potência, quando se encontra em uma região de potência constante, ou fator de escala de torque, quando se encontra em uma região de torque constante; - prover operação de inversor para ajustar o torque de motor com base na estimativa de fluxo ajustada, sendo que o fator de escala de potência é função de torque medido vezes frequência mecânica versus torque característico vezes frequência mecânica de ponto de vértice, e o fator de escala de torque é função do torque medido versus o torque característico.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o fator de frenagem ser calculado por <formula>formula see original document page 19</formula> onde, Vdc_thb= Voltagem de link CC, no modo de propulsão no nível de aceleração 8, e Vdc_dbb = Voltagem de link CC, no modo de frenagem no nível de aceleração 8.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o fator de escala de resistência ser calculado por <image>image see original document page 20</image> onde, Tdbb= Torque do motor durante frenagem dinâmica no nível de aceleração 8, Om= Frequência mecânica do motor, VDc_dbb= Voltagem de link CC, no modo de frenagem no nível de aceleração 8, e Vdc= Voltagem de link CC.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o fator de escala de potência ser calculado por <image>image see original document page 20</image> onde, Te8= Torque do motor no nível de aceleração 8; Te= Torque do motor; Om= frequência mecânica do motor, Omc= frequência mecânica do motor em uma frequência de joelho definida em um ponto de transição entre operação de torque constante do motor e operação de potência constante do motor.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o fator de escala de torque ser calculado por <image>image see original document page 20</image> onde, Te8= Torque do motor no nível de aceleração 8, Te= Torque do motor.

6. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de o fator de escala de resistência ser calculado por <image>image see original document page 21</image> onde, Te= Torque do motor, Tdbb= Torque do motor durante frenagem dinâmica no nível de aceleração 8, Om= frequência mecânica do motor, Omc= frequência mecânica do motor em uma frequência de joelho definida em um ponto de transição entre operação de torque constante do motor e operação de potência constante do motor, Vdc_dbb= Voltagem de link CC no modo de frenagem no nível de aceleração 8, e Vdc= Voltagem de link CC.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de o fator de escala de potência ser calculado por <image>image see original document page 21</image onde, TeS= Torque do motor no nível de aceleração 8;

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de o fator de escala de potência ser calculado <image>image see original document page 21</image

9. Método para operar motor de corrente alternada, acionado por um inversor, caracterizado pelo fato de compreender: - determinar uma constante de resistência base, usando características do motor em uma primeira frequência de rotação de motor, a primeira frequência de rotação de motor sendo definida em um ponto de transição entre operação de torque constante do motor e operação de potência constante do motor (frequência de joelho); - calcular potência de motor em função do torque real e frequência de rotação de motor real; - calcular uma resistência efetiva do inversor em função da potência do motor e voltagem do link CC; - calcular uma referência de fluxo estimada em função da voltagem de link CC, resistência efetiva e constante de resistência base, e - ajustar a saída de torque do motor, com base na referência de fluxo estimada.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender: - calcular uma constante de voltagem como razão entre a voltagem de link CC no modo de propulsão no nível de aceleração 8 na frequência de "joelho' e voltagem de link CC no modo de frenagem no nível de aceleração 8 na frequência de joelho. - onde calcular uma referência de fluxo estimada inclui calcular uma referência de fluxo estimada conforme uma função adicional da voltagem constante.

11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender: - determinar que o motor CA está operando em uma região de potência constante; e - calcular um primeiro fator de escala, quando a operação do motor se encontra na região de torque constante, e sendo que calcular a referência de fluxo estimado inclui calcular a referência de fluxo estimado como função adicional do primeiro fator de escala.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de calcular o primeiro fator de escala compreende calcular <formula>formula see original document page 23</formula> onde, Te= Torque do motor; TEg= Torque do motor no nível de aceleração 8; Om= frequência mecânica do motor, Omc= frequência de joelho.

13. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender: - determinar que o motor CA está operando em uma região de torque constante; e - calcular um fator de escala, quando a operação do motor se encontra em uma região de torque constante, sendo que calcular a referência de fluxo estimada inclui calcular a referência de fluxo estimada como função adicional do segundo fator de escala.

14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de calcular o segundo fator de escala compreende calcular <formula>formula see original document page 23</formula>

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de determinar a constante de resistência base compreender: - determinar um valor para VDC_DBB= voltagem de link CC no modo de frenagem no nível de aceleração 8; - determinar um valor para Tdbb= torque do motor durante frenagem dinâmica no nível de aceleração 8; - determinar o valor de Omc = frequência mecânica do motor na frequência de joelho; e - calcular constante de resistência base como <formula>formula see original document page 23</formula>

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de calcular a resistência efetiva compreende calcular <image>image see original document page 24</image>

17. Sistema de motor de corrente alternada, adaptado para ajustar fluxo de motor com base na potência do motor, voltagem de link de Corrente Contínua (CC) e resistência efetiva em um inversor usado para acionar motor CA, caracterizado pelo fato de compreender: - um gerador CA; - um retificador que converte a saída do gerador em CC; - um link CC acoplado ao retificador; - uma grade resistiva seletivamente acoplada ao link CC; - uma pluralidade de motores CA; - uma pluralidade de inversores, cada inversor da pluralidade de inversores acoplando eletricamente link CC no respectivo motor CA da pluralidade de motores CA; - um controlador acoplado ao link CC, grade resistiva, e cada inversor da pluralidade de inversores, o controlador incluindo: - um processador; e - uma memória armazenando instruções, que, quando executadas no processador, fazem o controlador: - calcular um fluxo estimado com base, pelo menos em parte, na resistência efetiva da grade em cada inversor da pluralidade de inversores, resistência efetiva calculada a partir do torque real, frequência de rotação real do motor, voltagem de link CC, e constante de resistência base; e - prover um ajuste para cada inversor da pluralidade de inversores, que controla o torque do motor CA associado a cada inversor.

18. Sistema, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de a memória adicionalmente armazenar instruções, que, quando executadas no processador, fazem o controlador calcular o fator de escala de resistência com base na resistência efetiva, o fator de escala definido por <formula>formula see original document page 25</formula> onde, Te= Torque do motor Tdbb= Torque do motor durante frenagem dinâmica no nível de aceleração 8 Om= frequência mecânica do motor, Vdc_dbb= voltagem de link CC em um modo de frenagem no nível de aceleração 8 Vdc= Voltagem de link CC, o fator de escala sendo usado para calcular o fluxo estimado.

19. Sistema, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de a memória adicionalmente armazenar instruções, que, quando executadas no processador, fazem o controlador usar o fator adicional para calcular o fluxo estimado, definido como fator de escala de potência, calculado como <formula>formula see original document page 25</formula> onde, Te8= Torque do motor no nível de aceleração 8 Te= Torque do motor Om= Frequência mecânica do motor, Omc= Frequência mecânica do motor em uma frequência de joelho definida em um ponto de transição entre operação de torque constante do motor e operação de potência constante do motor.

20. Sistema, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de a memória adicionalmente armazenar instruções, que, quando executadas no processador, fazem o controlador usar o fator adicional para calcular o fluxo estimado, definido como fator de escala de torque, calculado como onde, Teg— Torque do motor no nível de aceleração 8 Te= Torque do motor Om= Frequência mecânica do motor, o fator de escala sendo usado quando o motor CA se encontra em uma região de operação de torque constante.