BR102014009688B1

BR102014009688B1 - controije de loop aberto sem sensor de posição para acionamentos de motor com filtro de saída e transformador

Info

Publication number: BR102014009688B1
Application number: BR102014009688-4A
Authority: BR
Inventors: Jingbo Liu; Thomas Nondahl; Peter Schmidt; Semyon Royak
Original assignee: Rockwell Automation Technologies, Inc
Priority date: 2013-04-23
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2021-03-16
Also published as: US20150194901A1; US9312779B2; US9054621B2; US20140312811A1; CN104124883B; EP2797220A1; CN104124883A; EP2797220A3; EP2797220B1

Abstract

SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA E MÉTODO PARA CONTROLAR UM SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA Um conversor de energia (10), aparelho de controle (20) e métodos (100) são apresentados para acionar um motor de ímã permanente ou outra carga (6) através de um filtro de onda de seno (16) e um transformador (18), em que a corrente de saída do inversor (IA, IB, IC) é controlada utilizando uma relação de corrente e frequência (24) para converter um valor de frequência ou velocidade desejado (21, 31) a um ponto de ajuste de corrente (32), e a corrente de saída do inversor (IA, IB, IC) é regulada utilizando um algoritmo de controle (26) com uma amplitude de banda abaixo da frequência ressonante do filtro de onda de seno (16).

Description

HISTÓRICO

Acionamentos de motor sem sensor são utilizados em uma variedade de aplicações, particularmente, ao prover sensores de posição e/ou velocidade diretamente em uma carga de motor, são difíceis e impraticáveis. Um sistema sem sensor típico emprega um controlador de tensão-frequência (T/F), alternativamente, conhecido como Volts por Hertz (V/Hz) que provê um ponto de ajuste de tensão, de acordo com a velocidade ou frequência do motor desejadas e essa forma de controle sem sensor foi utilizada primeiramente com motores de indução. Em determinadas aplicações, entretanto, um transformador de configuração é geralmente necessário para estimular a tensão de saída de acionamento de motor. Por exemplo, um transformador pode permitir que um acionamento de baixa tensão seja utilizado para alimentar um motor de indução de tensão média e/ou um transformador de configuração pode ser utilizado para reduzir perdas de I2R e permite o uso de fio de cabo de calibrador menor para cabos longos correrem entre o acionamento de motor e o motor acionado. Determinadas aplicações também empregam filtros de onda de seno, como filtros LC para suprimir picos de tensão de onda refletida associados a acionamentos de frequência variável, modulada de amplitude de pulso. 0 uso de técnicas de controle de frequência e tensão, entretanto, pode levar a problemas, particularmente, quando um transformador e/ou filtro de onda de seno for conectado entre o acionamento de motor na carga do motor. Por exemplo, loops de controle de frequência e tensão geralmente sofrem de variações na corrente de acionamento descontrolada, mesmo quando o comando de tensão for constante. Também, a saturação do transformador de configuração pode levar a corrente de acionamento aumentada de maneira significativa, sem liberar muito energia à carga do motor. Ademais, controle de frequência e tensão em combinação com um filtro de onda de seno sob condições de início podem resultar em o motor não ser capaz dé iniciar, com oscilações grandes no eixo do rotor para comandos de baixa frequência. Além disso, controle de acionamento de tensão e frequência, sem sensor convencional não tem tido sucesso amplo no acionamento de motores de ímã permanente, quando os filtros de saída e transformadores forem empregados. Assim, embora os esquemas de controle sem sensor sejam vantajosos, devido à extensão das passagens de cabo e evitem custos associados à provisão de feedback diretamente do motor, melhorias adicionais são necessárias para controle de acionamento de motor sem sensor, particularmente, para acionar motores de ímã permanente.

SUMÁRIO

Diversos aspectos da presente revelação são, agora, resumidos para facilitar um entendimento básico da revelação, em que esse sumário não é uma visão geral extensa da revelação e não é destinado a identificar determinados elementos da revelação nem a delinear seu escopo. Ao contrário, o objetivo primário desse sumário é apresentar os diversos conceitos da revelação em uma forma simplificada antes da descrição mais detalhada que é apresentada doravante. A presente revelação provê controle de posição sem sensor utilizando a regulação de corrente e conceitos de controle de frequência de corrente e amplitude de banda reduzida, pelos quais o controle de conversor de energia de loop aberto é possível para evitar ou abrandar as desvantagens mencionadas acima do controle sem sensor de frequência e tensão tradicional. Essas técnicas e aparelho encontram utilidade particular em associação com aplicações de acionamento de motor sem sensor envolvendo filtros de saída de onda de seno e transformadores de configuração para acomodar passagens de cabo longas entre o acionamento e um motor acionado, incluindo motores de indução e/ou motores de ímã permanente, como em aplicações de bombas submersíveis e similares. Outras aplicações são possíveis, nas quais as abordagens de controle descritas podem ser utilizadas, incluindo operação de conversor de energia para prover saída AC de frequência variável a qualquer forma de carga.

Um sistema de conversão de energia é apresentado, que inclui um inversor que provê energia de saída AC para acionar uma carga, assim como um controlador que regula a(s) corrente (s) de saída de inversor no todo ou em parte, de acordo com um valor de ponto de ajuste de frequência ou velocidade por meio de um algoritmo de controle que tem uma amplitude de banda abaixo de uma frequência ressonante de um filtro acoplado entre o inversor e a carga. Em determinadas realizações, o controlador inclui um componente de controle de frequência de corrente provendo um valor de ponto de ajuste de corrente, pelo menos parcialmente, de acordo com o ponto de ajuste de frequência ou velocidade, assim como um componente regulador de controle de corrente que implementa o algoritmo de controle para regular a corrente ou correntes de implementações, o regulador de controle de corrente pode ser um controlador integral de proporção (PI) com uma amplitude de banda de controle abaixo da frequência ressonante do filtro de saída e o algoritmo de controle pode ser implementado para regular as correntes de saída de inversor, de acordo com o valor de ponto de ajuste de corrente e um ou mais sinais de feedback ou valores que representam a corrente de saída do inversor. Ademais, determinadas implementações do controlador incluem um componente limitador de taxa operado para limitar uma taxa de alteração do valor de frequência ou velocidade desejado, recebido(a) para prover um ponto de ajuste de frequência ou velocidade limitado por taxa.

Um método de controle de sistema de conversão de energia e meios legíveis por computador com instruções executáveis por computador são providos, de acordo com aspectos adicionais da presente revelação, em que um valor de ponto de ajuste de corrente é determinado, pelo menos em parte, de acordo com um valor de ponto de ajuste de frequência ou velocidade e pelo menos um sinal ou valor de feedback de corrente de saída AC do sistema de conversão de energia é amostrado. O método ainda inclui a regulação da corrente de saída, de acordo com o valor de ponto de ajuste de corrente e o feedback de corrente de saída utilizando um algoritmo de controle com uma amplitude de banda abaixo de uma frequência ressonante de um filtro de saída. Em determinadas implementações, o método ainda inclui a limitação da taxa de alteração de um valor de frequência ou velocidade desejado para determinar o ponto de ajuste de frequência ou velocidade e também pode incluir a determinação do valor de ponto de ajuste de corrente, de acordo com uma relação de corrente e frequência com um valor de corrente zero, correspondendo a um valor de frequência zero. Em determinadas implementações, por exemplo, a relação de corrente e frequência pode ser uma curva ou equação paramétrica ou tabela de consulta ou similares, incluindo uma primeira parte com valores de corrente crescentes correspondentes a uma primeira variação de frequência de zero a uma frequência limite, assim como uma segunda parte tendo um valor de corrente constante, como uma corrente de saída máxima do inversor, para frequência acima do valor de frequência limite.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A descrição e desenhos a seguir estabelecem determinadas implementações ilustrativas da revelação em detalhes, que são indicativas de diversas maneiras nas quais os diversos princípios da revelação podem ser realizados. Os exemplos ilustrativos, entretanto, não são completos das muitas realizações possíveis da revelação. Outros objetivos, vantagens e aspectos inovadores da revelação serão estabelecidos na descrição detalhada a seguir, quando considerada em conjunto com os desenhos, nos quais-.

A Figura 1 é um diagrama esquemático que ilustra um sistema de conversão de energia do tipo de acionamento de frequência variável exemplar que provê energia de saída AC através de um filtro de onda de seno e um transformador de configuração e um cabo para uma carga de motor de ímã permanente acionado para aplicações de bomba submersível e similares, em que o estágio de saída de inversor de acionamento de motor é controlado utilizando um componente de controle de frequência e corrente e um componente de controle integral de proporção (Pl) de amplitude de banda reduzida, de acordo com. um ou mais aspectos da presente revelação,-

A Figura 2 é um diagrama esquemático que ilustra detalhes adicionais do controlador de inversor exemplar no sistema da Figura 1, incluindo um componente limitador de taxa, um componente de controle de frequência e corrente e um componente de controle PI de amplitude de banda reduzida, de acordo com a revelação,- e

A Figura 3 é um fluxograma que ilustra um método exemplar para controlar um sistema de conversão de energia que aciona uma carga através de um filtro, de acordo com aspectos adicionais da presente revelação.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Referindo-se, agora, às figuras, diversas realizações ou implementações são doravante descritas em conjunto com os desenhos, em que os números de referência semelhantes são utilizados para se referir a elementos semelhantes completamente, e em que os diversos aspectos não são necessariamente desenhados em. escala. A presente revelação provê métodos e aparelho para acionar um motor elétrico ou outra carga através de um filtro de saída e, opcionalmente, através de um transformador adicional, e encontra utilidade em situações de bomba submersa ou outras aplicações, nas quais uma carga AC é alimentada sem feedback direto da carga acionada. Por exemplo, aplicações de acionamento de motor sem sensor podem ser aprimoradas pelo uso do aparelho e métodos revelados, mesmo para cargas de motor de ímã permanente, enquanto diminuem ou evitam a corrente de saída de acionamento desregulada, saturação de transformador e problemas com início de motor, vistos em sistemas de acionamento de motor sem sensor, de frequência e tensão convencionais. Da mesma forma, as vantagens do controle sem sensor podem ser facilitadas, incluindo custo e complexidade de sistema reduzidos, em combinação cora o uso de filtros de onda de seno e transformadores para reduzir o custo e tamanho de cabeamento e para reduzir problemas de onda refletida, enquanto ainda alcança capacidades de controle aprimoradas em relação ã velocidade e/ou posição do motor ou outros parâmetros de desempenho de carga acionada. Ademais, os conceitos da presente revelação não precisam de hardware adicional e, assim, apresentam uma solução de baixo custo aos problemas mencionados acima, associados a esquemas de controle de motor sem sensor de frequência e tensão convencional.

A Figura 1 ilustra um sistema exemplar 2 tendo uma fonte de energia AC4 que provê energia de entrada AC de três fases (por exemplo, 480 V AC, 50 ou 6 0 Hz) a um sistema de conversão de energia de acionamento de motor 10. O acionamento de motor 10, por sua vez, provê energia de saída AC, de múltiplas fases, de amplitude variável e frequência variável através de um filtro de onda de seno 16 e um transformador conectado 18 e, então, através de um cabo 8 para acionar uma carga de motor de ímã permanente ou de indução 6, conforme apresentado. Em diversas aplicações, como bombas submersíveis, um cabo relativamente extenso 8 pode ser utilizado e o transformador 18 pode ser utilizado em determinadas implementações, como um dispositivo de elevação para reforçar as saídas de tensão providas pelo acionamento de motor 10 a um nível maior para combater perdas de I2R ao longo da extensão do cabo 8 e reduzir o tamanho do cabo 8 e/ou para permitir que um acionamento de motor de tensão relativamente baixa opere uma carga de motor de tensão maior 6. Conforme visto na Figura 1, o acionamento de motor 10 inclui um retificador 12, que pode ser um retificador ativo (por exemplo, alternante) ou um retificador passivo, onda completa, meia onda etc., que recebe a energia de entrada AC da fonte 4 e provê energia DC a um barramento ou circuito de ligação DC 13 tendo uma capacitância C. Embora ilustrado como um retificador de múltiplas fases, os conceitos da presente revelação podem ser empregados em acionamento de entrada ou conversores de energia de fase única. Um inversor 14 recebe energia DC do circuito de barramento 13 e inclui dispositivos de alternância SI, S2, S3, S4, S5 e S6 operados de acordo com os sinais de controle de alternância de inversor 22 providos por um controlador 20, a fim de converter a energia DC em correntes de saída AC IA, IB e IC para acionar a carga de motor 6. Na realização ilustrada, inversor 14 provê uma saída de três fases, mas outras implementações de múltiplas fases ou de fase única são possíveis dentro do escopo da presente revelação. Quaisquer dispositivos de alternância de inversor adequados S1-S6 podem ser utilizados, incluindo, entre outros, transistores bipolares de porta isolada (IGBTs), retificadores controlados de silício (SCRs), tiristores de desativação de porta (GTOs), tiristores comutados de porta integrada (IGCTs) etc.

O acionamento de motor 10 também inclui um controlador 20 que provê os sinais de controle de alternância de inversor às chaves do inversor S1-S6. O controlador 20 e seus elementos e componentes (por exemplo, apresentados adicionalmente na Figura 2 abaixo) podem incluir um conjunto de circuitos de lógica adequados ou com base em processador e também podem incluir amplificação de nível de sinal e/ou conjunto de circuitos de acionador (não apresentados) para prover tensão de acionamento adequada e/ou níveis de corrente suficientes para acionar seletivamente os dispositivos de alternância S1-S6, por exemplo, como comparadores, geradores de onda transmissora ou elementos de lógica digital/processador e acionadores de sinal. Ademais, o controlador 20 pode prover os sinais de controle de alternância 22, de acordo com qualquer técnica de modulação de amplitude de pulso adequada, incluindo, entre outros, modulação de vetor (SVM), modulação de amplitude de pulso com base em transmissor, eliminação harmônica seletiva (SHE) etc.

O sistema 2 da Figura 1 também inclui um filtro de onda de seno ou de saída 16, em um exemplo, um filtro LC de três fases tendo um indutor de filtro em série LF em cada linha de saída, assim como um capacitor de filtro CF correspondente unido entre a linha de fase correspondente e um ponto de conexão comum. Outras topologias de filtro de saída podem ser utilizadas, como filtros LCL, filtros CLC etc. com um ou mais elementos de série e elementos de filtro adicionais (por exemplo, capacitores de filtro CF) conectados em qualquer configuração delta ou em Y adequada. Além disso, conforme apresentado na Figura 1, um transformador 18 é provido entre o filtro 16 e o cabo de motor 8. No exemplo ilustrado, o transformador 18 tem um primário conectado por delta de fase., assim como um secundário conectado em Y, embora qualquer configuração ou topologia de enrolamento de transformador primário e/ou secundário adequada possa ser utilizada. Ademais, o transformador 18 pode, mas não precisa, ser um transformador de elevação. EM determinadas aplicações, um transformador de elevação 18 é vantajoso, por exemplo, para permitir um acionamento de baixa tensão 10 para alimentar um motor de tensão média ou alta 6 ou para permitir o uso de um acionamento de tensão média para alimentar um motor de alta tensão 6. Também ou em combinação, um transformador de elevação 18 pode ser útil para permitir uma redução nos níveis de corrente transmitidos pelo cabo 8, facilitando, com isso, o uso de fios de cabo de diâmetro menor e uma redução correspondente nas perdas de 12R no cabo 8. O cabo 8, além disso, pode ser de qualquer construção adequada para fazer interface da saída de acionamento de motor, o filtro de onda de seno 16 e o transformador 18 com os condutores do motor 6.

O acionamento de motor 10 e seu controlador 20 operam de maneira sem sensor para controlar um ou mais parâmetros de operação da carga de motor acionada 6. Por exemplo, o controlador 20 provê os sinais de controle de alternância de inversor 22, a fim de controlar a posição e/ou velocidade e/ou torque do motor 6, sem sentir diretamente qualquer um desses parâmetros controlados. Na implementação ilustrada, por exemplo, sensores de corrente 27 são providos na saída do inversor 14 para prover sinais ou valores de feedback 28 ao controlador 20 que representam as correntes de saída de inversor IA, IB e IC e/ou dos quais os valores dessas correntes de saída podem ser computados, derivados ou, de outra forma, estimados. Quaisquer dispositivos de sensibilidade de corrente 27 adequados podem ser utilizados para gerar os sinais e/ou valores 28 e podem prover sinais análogos 28 e/ou os sensores 27 podem ser sensores inteligentes que proveem valores digitais 28 que representam as correntes de saída IA, IB e IC providas pelo inversor.

O controlador 20 utiliza os sinais ou valores de feedback 28 assim como um ou mais parâmetros de operação desejados 21 para realizar a regulação das correntes de saída IA, IB e IC em uma maneira de loop fechado localizado. No geral, entretanto, a técnica de controle implementada pelo controlador 20 é essencialmente sem sensor ou de loop aberto em relação à condição de operação real da carga de motor acionado 6, uma vez que não há sinais de feedback diretos obtidos do motor 6 em si. No exemplo da Figura 1, por exemplo, o controlador 20 recebe um valor de frequência ou de velocidade de motor /* 21 de um componente de sistema de controle supervisor (não apresentado) que pode ser um elemento de sistema de controle distribuído, um botão ajustável por usuário, interface de usuário local etc. O controlador 20, além disso, inclui um componente de controle de frequência e corrente 24 assim como um controlador integral de proporção (PI) de amplitude de banda reduzida 26, conforme descrito adicionalmente abaixo. Em operação, os componentes de controle 24 e 26 são utilizados para regular as correntes de saída de inversor IA, IB e IC por meio da geração dos sinais de controle de alternância de inversor 22, de acordo com o sinal ou valor de velocidade ou frequência desejado 21 e os sinais ou valores de feedback 28.

Referindo-se também à Figura 2, uma realização do controlador 20 é ilustrada, que pode incluir opcionalmente um limitador de taxa 3 0 assim como o componente de controle de corrente e frequência (I-F) 24 e o elemento de controlador PI 26 em um caminho de loop de controle para frente. Se incluído, o componente limitador de taxa 30 recebe o valor de frequência ou velocidade desejado 21 e limita sua taxa de alteração para prover um valor de ponto de ajuste de frequência ou velocidade 31 como uma entrada ao componente de controle de corrente de frequência 24. Outras realizações são possíveis, em que o limitador de taxa 30 é omitido, com o componente de frequência e corrente 24 recebendo diretamente o sinal de frequência ou velocidade desejado 21 como uma entrada de ponto de ajuste. Na implementação ilustrada, o sinal ou valor de saída do limitador de taxa 30 é um sinal ou valor de ponto de ajuste de frequência ou velocidade limitado por taxa 31 (por exemplo, /RL) e o componente limitador de taxa 30 pode ser qualquer hardware adequado, software executado por processador, firmware executado por processador, lógica programável, conjunto de circuitos análogo etc. que limita a taxa de alteração do sinal de velocidade ou frequência desejado, recebido 21.

Em uma implementação possível, por exemplo, o limitador de taxa 30 limita a taxa de alteração do sinal de velocidade 21, de modo que o sinal de saída 31 esteja em uma frequência que muda não mais rápido que a capacidade de aceleração máxima do motor 6. Por exemplo, o filtro de onda de seno 16 pode ter uma frequência ressonante (determinada de acordo com a indutância dos indutores de filtro LF e a capacitância dos capacitores de filtro CF) da diversas centenas de HZ (por exemplo, cerca de 4000 Hz em um exemplo), com o limitador de taxa 3 0 operando para limitar a taxa de alteração do sinal recebido 21 a poucas dezenas de ciclos por segundo (por exemplo, cerca de 20-30 Hz ou menos, em uma realização). Em operação, uma alteração de etapa no sinal recebido 21 será alterada a um sinal de inclinação 31 e, assim, o limitador de taxa 3 0 evita que o componente de controle dé frequência e corrente subsequente 24 demande uma alteração imediata para a corrente de alta frequência. Particularmente, quando utilizado com um filtro de onda de seno de saída 16 e/ou um transformador 18, uma alteração imediata para saída de corrente de alta frequência pode não fazer com que a carga de motor 6 gire. 0 uso de limitador de taxa 30, em determinadas realizações, limita, de maneira vantajosa, a taxa de alteração do ponto de ajuste de frequência abaixo do valor no qual a carga de motor 6 pode acelerar na taxa desejada.

O valor de ponto de ajuste de frequência ou velocidade, limitado de taxa 31 é provido como uma entrada ao componente de controle de frequência e corrente 24 assim como a um sistema de integração 40, 42, conforme descrito adicionalmente abaixo. O componente de controle de frequência e corrente (l-F) 24 recebe o ponto de ajuste de frequência ou velocidade limitado de taxa 31 e gera um ponto de ajuste de corrente de eixo δ (i*a) 32 da mesma forma. Conforme retratado na Figura 2, o controlador 20 implementa diversos componentes, por exemplo, em software ou firmware executado por processador, e ópera em determinadas variáveis em uma estrutura de referência de δr y sincrônicos, com sinais ou valores de feedback recebidos 28 e sinais de controle de alternância gerados 22 sendo referentes a uma estrutura de referência fixa (por exemplo, a, b, c) . Nesse aspecto, a estrutura de referência de δ, y ilustrada gira na mesma frequência que a estrutura de referência de controle de comutação de campo convencional (D, Q), mas a posição não precisa ser a mesma, com y e δ um tanto análogos a "d" e "q", mas não são necessariamente alinhados (por exemplo, provavelmente, y estará em algum lugar entre o eixo D e o eixo Q, e y e δ são ortogonais entre si). Também é entendido que a regulação de corrente pode ser realizada em outras estruturas de referência.

Conforme visto na Figura 2, o componente de controle de frequência e corrente 24 provê uma saída de ponto de ajuste de corrente 32 com base no sinal ou valor de ponto de ajuste de frequência ou velocidade recebido (por exemplo, limitado de taxa) 31. Em uma implementação possível, o componente de. controle de frequência e corrente 24 implementa uma curva ou função de variação dupla, conforme ilustrado, com a relação de corrente e frequência sendo um. valor de corrente zero correspondente a um valor de frequência zero (por exemplo, 0 Hz). Conforme apresentado na Figura 2, a relação de corrente e frequência implementada pelo componente de controle 24 inclui uma primeira parte com valores de corrente crescentes correspondentes a uma primeira variação de frequência do valor de frequência zero para um valor de frequência limite FCUTÍ assim como uma segunda parte com um valor de corrente constante (por exemplo, IMAX) correspondente a frequências acima da frequência limite FCÜT, na qual IMAX pode ser a corrente de saída com taxa máxima do inversor 14 em determinadas implementações e a frequência limite FCUT é preferencialmente ajustada para corresponder a uma frequência de operação muito baixa do motor 6 (por exemplo, cerca de 0,5 - 1,0 Hz em uma implementação) . O componente de controle de frequência e corrente 24, em determinadas realizações, pode ser implementado utilizando uma tabela de consulta ou uma função paramétrica. Nesse aspecto, a relação de corrente e frequência evita, de maneira vantajosa, a provisão de corrente ao transformador 18 e o motor 6 em frequência zero e inclui a primeira parte inclinada até a frequência limite, após o que a corrente máxima é demandada, com isso, o componente de controle 24 evita o envio de DC ao transformador 18. 0 componente de controle I-F 24, portanto, evita o envio de DC ao transformador 18, e a carga de motor 6 é tipicamente operada na corrente máxima com isso, a operação do acionamento de motor é bastante diferente da abordagem de frequência de tensão convencional dos acionamentos sem sensor anteriores.

A saída do controlador de corrente e frequência 24 é o ponto de ajuste de corrente de eixo 8 32, que é provido ao componente de controle PI 26. 0 controle PI não é uma necessidade estrita de todas as realizações da presente revelação, em que qualquer algoritmo de regulação de corrente adequado pode ser utilizado para regular as correntes de saída de inversor IA, IB e IC em uma amplitude de banda de algoritmo que é menor que a frequência ressonante do filtro de onda de seno 16. Na realização ilustrada, o controlador P1 26 opera de acordo com um valor de eixo y zero 33 (i*z = 0), embora não seja uma necessidade estrita de todas as implementações da presente revelação. O controlador PI 26 pode ser qualquer implementação adequada de algoritmos de controle integrais de proporção bem conhecidos, mas o algoritmo de controle é limitado de amplitude de banda. Também, o componente de controle 26 pode ser um controlador PID com o ganho de derivada correspondente (KD) ajustado a zero. Os inventores perceberam que a limitação da amplitude de banda do controlador PI 2 6 evita ou reduz a corrente de partida grande durante a ativação, particularmente, quando o acionamento 10 estiver provendo correntes de saída através de um filtro de onda de seno, tornará a saída de inversor particularmente suscetível a correntes de partida grandes e limitará a amplitude de banda do controlador PI 26 (ou outro algoritmo de controle de regulação de corrente, implementado pelo controlador 20) para ser bem abaixo da frequência ressonante de filtro de onda de seno ajudando a reduzir ou evitar níveis de corrente de partida altos, particularmente, na inicialização.

O controlador PI de amplitude de banda reduzida 26 também recebe feedback da saída do inversor 14 de sensores de corrente de saída integrados 27. O controlador ilustrado 20 inclui um componente conversor de estrutura de referência fixo para sincrônico 44 (a, b, c --> δ, y) que provê valores de feedback de corrente 5 e y 46 e 48 (ig e iz) , convertidos das correntes de fase de saída de inversor sentidas IA, IB e IC como entradas ao controlador PI 26. O conversor 44, além disso, realiza a conversão da estrutura de referência, de acordo com um sinal ou valor de ângulo de fase θ 43, que é computado, na realização ilustrada, com base no sinal ou valor de ponto de ajuste de frequência ou velocidade limitada de taxa 31 como o integral da frequência (0 (2L1 * fRL) por meio de um componente multiplicador 40 que gera o sinal de frequência d) 41 e um componente integrador 42 que provê o sinal ou valor de ângulo de fase θ 43. O controlador PI 26, além disso, provê saídas de sinal ou valor de ponto de ajuste de tensão de eixo δ e y Vg e Vr 35 e 34, respectivamente, que são convertidos ã estrutura de referência fixa pelo conversor 36 (δ, 7 --> a, b, c) utilizando o sinal ou valor de ângulo de fase θ 43. 0 conversor de estrutura de referência 36, por sua vez, provê um conjunto de três sinais ou valores de ponto de ajuste de tensão de estrutura de referência fixos 37 (Va, Vb e Vc) como entradas a um componente de modulação de amplitude de pulso (PWM) 38 que inclui qualquer forma adequada de modulação, isolamento, amplificadores, circuitos acionadores etc. para gerar os sinais de controle de alternância de inversor 22 utilizando técnicas conhecidas.

Em determinadas realizações, a amplitude de banda do PI ou outro algoritmo de controle de regulação, implementado no componente de controle 26, é bem abaixo da frequência ressonante do filtro de onda de seno associado 16. Nesse aspecto, algoritmos de controle servo e/ou de acionamento de motor convencionais regulam a corrente utilizando uma amplitude de banda relativamente alta, como na ordem de 1 kHz. Entretanto, conforme mencionado acima, essa amplitude de banda de algoritmo de controle alta pode levar a instabilidade ou incapacidade de controlar adequadamente as correntes de saída providas à carga de motor 6 e/ou levar a uma saturação indesejável do transformador 18 e problemas de corrente de partida excessiva. De acordo com a presente revelação, a amplitude de banda do controlador PI 26 é preferencialmente uma ou mais ordens de magnitude menor que a frequência ressonante do filtro de onda de seno 16. Por exemplo, a amplitude de banda de controlador PI pode ser na ordem de cerca de 2 0 Hz ou 3 0 Hz para uso em associação com os filtros de onda de seno 16 que têm uma frequência ressonante de cerca de 2 kHz a 6 kHz. Isso pode ser implementado, por exemplo, ao limitar os ganhos proporcionais e integrais (por exemplo, KP e Kl) utilizados no algoritmo de regulação do controlador PI 26. A saída do controlador PI 26, nesse aspecto, pode ser implementada como a soma do erro entre os valores de ponto de ajuste de corrente 32 e 33 e os valores de feedback correspondentes 46 e 48, multiplicados por KP constante proporcional adicionado ao integral do erro multiplicado pela constante integral Kl. Assim, nas realizações específicas, a amplitude de banda de regulação de loop de corrente está significativamente abaixo da variação ressonante do filtro 16 e isso pode ser implementado por máximos ou limites nos valores de Kl e KP utilizados no algoritmo PI 26, dé modo que o ponto ressonante de todo o loop fechado seja menor que cerca de 2 0 ou 30 Hz em determinadas implementações. Assim, o algoritmo de regulação de corrente implementado pelo controlador 20 não tentará regular a corrente acima de cerca de 30 Hz. As saídas 34, 35 do controlador PI 26 são os valores de tensão de estrutura de referência sincrônicos 34 e 35, que são, então, traduzidos em valores de estrutura de referência fixa de três fases 37 que são utilizados amplitude de pulso que modula as alternâncias de inversor S1-S6.

Referindo-se também ã Figura 3, um fluxograma é provido, que ilustra um método 100 para controlar um sistema de conversão de energia (por exemplo, o acionamento de motor 10 acima) para acionar uma carga (por exemplo, o motor 6) através de um filtro (por exemplo, filtro de onda de seno 16) . Embora o método exemplar 100 seja retratado e descrito na forma de uma série de ações ou eventos, será apreciado que diversos métodos da revelação não são limitados pela ordem ilustrada dessas ações ou eventos, exceto conforme especificamente estabelecido aqui. Nesse aspecto, exceto conforme especificamente provido doravante, algumas ações ou eventos podem ocorrer em ordem diferente e/ou simultaneamente a outras ações ou eventos além dos ilustrados e descritos aqui e nem todas as etapas ilustradas podem ser necessárias para implementar um processo ou método, de acordo com a presente revelação. Os métodos ilustrados podem ser implementados em hardware, software executado por processador ou combinações destes, a fim de prover controle de motor sem sensor utilizando algoritmos de controle de amplitude de banda limitada aqui descritos e diversas realizações ou implementações incluem meios legíveis por computador não transitórios tendo instruções executáveis por computador que realizam os métodos ilustrados e descritos. Por exemplo, o método 100 pode ser implementado utilizando um ou mais processadores associados ao controlador 20, ao executar as instruções armazenadas em uma memória eletrônica associada de maneira operatória ao controlador 20.

O processo 100 começa em 102, onde um valor de frequência ou velocidade desejado, atualizado (por exemplo, sinal ou valor f* 21 nas Figuras 1 e 2 acima) . Em 104, o valor desejado pode ser opcionalmente limitado de taxa para prover um valor de ponto de ajuste de frequência ou velocidade limitado de taxa (por exemplo, /RL 31 na Figura 2), pelo menos parcialmente de acordo com o valor de ponto de ajuste de frequência ou velocidade 21, 31. Em 108, um ou mais sinais ou valores de feedback de corrente de saída AC do conversor de energia são amostrados (por exemplo, IA, IB e IC amostrados utilizando sensores 27 na Figura 1 acima). Em 110, a(s) corrente(s) de saída AC é(são) regulada(s), de acordo com o valor de ponto de ajuste de corrente 32 e o(s) sinal(is) ou valor(es) de feedback 28 utilizando um algoritmo de controle tendo uma amplitude de banda abaixo da frequência ressonante do filtro 16. Por exemplo, as correntes de saída AC são reguladas no acionamento de motor 10 descrito acima, utilizando algoritmo de controle integral de proporção (por exemplo, por meio do controlador PI 26) tendo uma amplitude de banda que é menor que a frequência ressonante do filtro de onda de seno 16. 0 processo 100, na Figura 3, então, retorna para receber outro valor de frequência ou velocidade desejado, atualizado 21 em 102, e continua conforme descrito acima.

As técnicas e aparelho acima, portanto, facilitam, de maneira vantajosa, o controle sem sensor de cargas de motor de indução ou de ímã permanente 6 em aplicações, como as descritas supra, nas quais os filtros de onda de seno 16 e/ou transformadores 18 são providos para acomodar longas extensões de cabo 8 sem as desvantagens associadas aos esquemas de controle de tensão e frequência convencionais. Além disso, os conceitos revelados podem ser empregados sem qualquer hardware adicional e podem ser implementados amplamente em software executado por processador de um controlador de acionamento de motor 20. Ademais, essas técnicas podem ser empregadas para reduzir ou evitar corrente de partida de filtro, saturação de transformador e oscilação de corrente de saída de acionamento de motor descontrolada, associada às abordagens convencionais, enquanto evita custo extra e/ou complexidade de sistema associados à provisão de sensores na carga 6. Além disso, as técnicas também permitem flexibilidade de projeto de sistema de empregar transformadores 18 para acomodar longas passagens de cabo, enquanto reduz ou evita perdas de I2R e permitindo o uso de cabeamento menor 8, provendo, com isso, soluções viáveis para aplicações de bomba submersível e outras instalações nas quais o transformador 18 pode acomodar o uso de acionamento de motor de baixa tensão 10 para motores de tensão média ou maior 6, incluindo motores de ímã permanente.

Os exemplos acima são meramente ilustrativos de diversas realizações possíveis de vários aspectos da presente revelação, em que alterações e/ou modificações equivalentes ocorrerão aos técnicos no assunto, mediante a leitura e entendimento dessa especificação e dos desenhos anexos. Em relação particular às diversas funções realizadas pelos componentes descritos acima (conjuntos, dispositivos, sistemas, circuitos e similares), os termos (incluindo uma referência a um "meio") utilizados para descrever esses componentes são destinados a corresponderem, a menos que de outra forma indicado, a qualquer componente, como hardware, software executado por computador ou combinações destes, que realize a função específica do componente descrito (ou seja, que é funcionalmente equivalente) mesmo que não equivalente estruturalmente à estrutura revelada que realiza a função nas implementações ilustradas da revelação. Além disso, embora um aspecto particular da revelação possa ter sido revelado em relação a somente uma das diversas implementações, esse aspecto pode ser combinado a um ou mais outros aspectos das outras implementações, conforme pode ser desejado e vantajoso para qualquer determinada aplicação ou particular. Também, na medida em que os termos "incluindo", "tendo", "tem", "com" ou suas variantes são utilizadas na descrição detalhada e/ou nas reivindicações, esses termos são destinados para serem inclusivos, de maneira semelhante ao termo "compreendendo".

Claims

1. SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA (10), compreendendo: um inversor (14) incluindo uma pluralidade de dispositivos de alternação (S1-S6) operáveis de acordo com sinais de controle de alternação (22) para prover energia de saída AC para acionar uma carga (6); e um controlador (20) que provê os sinais de controle de alternação (22) ao inversor (14) para regular as correntes de saída de inversor (IA, IB, IC), pelo menos parcialmente, de acordo com um valor de ponto de ajuste de frequência ou velocidade (21, 31) por meio de um controlador (26), caracterizado pelo controlador (26) ter uma amplitude de banda uma ou mais ordens de magnitude menor que de uma frequência ressonante de um filtro (16) acoplado entre o inversor (14) e a carga (6).

2. SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA (10), de acordo com a reivindicação 1, em que o controlador (20) é caracterizado por compreender: um componente de controle de frequência e corrente (24) que provê um valor de ponto de ajuste de corrente (32), de acordo com o valor de ponto de ajuste de frequência ou velocidade (21, 31); e um componente regulador de controle de corrente (26) que implementa o algoritmo de controle para regular as correntes de saída de inversor (IA, IB, IC), pelo menos parcialmente, de acordo com o valor de ponto de ajuste de corrente (32).

3. SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo controlador (20) regular as correntes de saída de conversor (IA, IB, IC) através do controlador (26), de acordo com um valor de ponto ajuste de corrente (32) determinado de acordo com uma relação de corrente e frequência com um valor de corrente zero correspondendo a um valor de frequência zero.

4. SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo controlador (20) incluir um controlador integral de proporção (PI) (26) para regular as correntes de saída de inversor (IA, IB, IC), o controlador integral de proporção (PI) (26) tendo uma amplitude de banda abaixo da frequência ressonante do filtro (16) acoplado entre o inversor (14) e a carga (6).

5. SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo controlador (20) regular as correntes de saída de inversor (IA, IB, IC) de acordo com um valor de ponto de ajuste de corrente (32), derivado do valor de ponto de ajuste de frequência ou velocidade (21, 31) e de acordo com pelo menos um sinal ou valor de feedback (46, 48) que representa as correntes de saída de inversor (IA, IB, IC).

6. SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo controlador (20) compreender um componente limitador de taxa (30) que limita uma taxa de alteração de um valor de frequência ou velocidade desejado recebido (21) para prover o valor de ponto de ajuste de frequência ou velocidade (31).

7. MÉTODO (100) PARA CONTROLAR UM SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA (10) QUE ACIONA UMA CARGA (6) ATRAVÉS DE UM FILTRO (16), o método (100) compreendendo: a determinação de um valor de ponto de ajuste de corrente (32), pelo menos parcialmente, de acordo com um valor de ponto de ajuste de frequência ou velocidade (21, 31); amostragem de pelo menos um sinal ou valor de feedback de corrente de saída AC (IA, IB, IC) do sistema de conversão de energia (10); e regulação de pelo menos uma corrente de saída AC (IA, IB, IC), de acordo com o valor de ponto de ajuste de corrente (32), e o pelo menos um sinal ou valor de feedback de corrente de saída AC (IA, IB, IC) utilizando um controlador (26), caracterizado pelo controlador (26) ter uma amplitude de banda de uma ou mais ordens de magnitude menor que uma frequência ressonante do filtro (16).

8. MÉTODO (100), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por compreender a limitação de uma taxa de alteração de um valor de frequência ou velocidade desejado (21) para determinar o valor de ponto de ajuste de frequência ou velocidade (31).

9. MÉTODO (100), de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 ou 8, caracterizado pela pelo menos uma corrente de saída AC (IA, IB, IC) ser regulada utilizando um controlador integral de proporção (26) tendo uma amplitude de banda abaixo da frequência ressonante do filtro (16).

10. MÉTODO (100), de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado pelas correntes de saída de inversor (IA, IB, IC) serem reguladas de acordo com um valor de ponto de ajuste de corrente (32) determinado de acordo com uma relação corrente e frequência com um valor de corrente zero correspondendo a um valor de frequência zero.