BR102014015887B1

BR102014015887B1 - Sistema de controle de mancais magnéticos ativos

Info

Publication number: BR102014015887B1
Application number: BR102014015887-1A
Authority: BR
Inventors: Stéphane Turpault; Jean Levine; Joaquim Da Silva; Salim Benbouzid
Original assignee: Skf Magnetic Mechatronics
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2021-08-31
Also published as: EP2818739A1; IN2014CH03162A; CN104333289A; CA2855289A1; BR102014015887A2; JP2015010716A; CN104333289B; US9293971B2; US20150002000A1; EP2818739B1; JP6351400B2; CA2855289C

Abstract

SISTEMA DE CONTROLE DE MANCAIS MAGNÉTICOS ATIVOS Trata-se a presente invenção de um dispositivo de controle para controlar a posição do rotor (10a) suportado por mancais magnéticos ativos compreendendo: um módulo de planejamento de trajetória (12) para gerar uma posição, velocidade e aceleração solicitadas, um observador (20) para gerar um valor de retorno de posição e um valor de retorno de velocidade a partir de medições de pelo menos uma posição do rotor e intensidades de corrente nas bobinas eletromagnéticas dos mancais magnéticos ativos, um primeiro circuito de correção (18) para gerar um primeiro sinal de comando de acordo com a diferença entre posição e velocidade solicitadas e a posição e valor de retorno de velocidade, respectivamente, um controlador de alimentação (14) para gerar um segundo sinal de comando de acordo com uma computação das posição, velocidade e aceleração solicitadas, um somador (16) para somar os primeiro e segundo sinais de comandos e despachar um terceiro sinal de comando para um circuito de inversão não linear (26) conectado ao somador para gerar sinais de comando de fluxo para os eletromagnetos, e um segundo circuito de correção (28) para gerar sinais de comando de tensão para os amplificadores de potência que controlam a corrente fluindo nas bobinas (...).

Description

CAMPO TÉCNICO

[0001] A presente invenção refere-se a mancais magnéticos e, mais particularmente, a um mancai magnético axial tendo melhores desempenhos dinâmicos devido a um controle de planejamento de movimento.

[0002] Técnica anterior Mancais magnéticos são usados em diversas máquinas rotativas, como motores magnéticos, compressores, turbinas ou similares, de modo a manter as posições axiais e/ou radiais de um eixo de rotação por meio de campos magnéticos atuando sobre um rotor da máquina.

[0003] Mancais magnéticos axiais são, frequentemente, usados para rejeitar distúrbios axiais provenientes de ambiente industrial (ondas de pressão e oscilações) que podem criar efeitos indesejados sobre comportamento do rotor da turbina ou do compressor, como as que limitam ciclos, vibrações, instabilidades.

[0004] A força de mancai axial é construída usando um par de eletromagnetos conectados a amplificadores de potência (classicamente, um amplificador de potência por eletromagneto) para os quais a tensão de controle é adaptada por um controlador. Entretanto, a natureza não laminada (um mancai não laminado contribui para a criação de correntes parasitas) do mancai magnético de empuxo limita a ação do controlador. A dinâmica do atuador é consideravelmente reduzida (um mancai axial não pode rejeitar distúrbios localizados fora de frequências de largura de faixa específicas) e as perdas de ferro são aumentadas.

[0005] Desse modo, como uma solução conhecida, quando possível, o projeto do mancai axial é alterado (introdução de entalhes ou uso de um projeto laminado) para romper ou pelo menos limitar a criação de corrente parasita e reduzir perdas. Outras soluções baseadas no uso de material especifico, por exemplo, inserto feito de pó ferromagnético, são também identificadas.

[0006] Entretanto, todas estas soluções conhecidas não podem ser generalizadas devido a serem dispendiosas e aumentar o custo do mancai magnético. Além disso, elas não podem ser usadas para cada mancai, devido a limitações mecânicas, como redução da resistência mecânica ou redução da força disponível, por exemplo.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0007] A presente invenção procura eliminar as desvantagens acima ditas por resolver a corrente parasita usando um controle de planejamento de movimento (controle baseado na planura), de preferência, sem muar o hardware ou o projeto do mancai magnético. Com esta solução, as perdas também são minimizadas.

[0008] Para isto, o dispositivo de controle para controlar a posição de um rotor suportado por mancais magnéticos ativos supridos através de amplificadores de potência cujas saídas são conectadas a bobinas eletromagnéticas dos ditos mancais magnéticos ativos, de acordo com a invenção é do tipo compreendendo:

[0009] um módulo de planejamento de trajetória para gerar uma posição, velocidade e aceleração solicitadas,

[0010] um observador para gerar um valor de retorno de posição e um valor de retorno de velocidade das medições de pelo menos uma posição Z(t) do dito rotor e intensidades de corrente h(t), l2(t) nas ditas bobinas eletromagnéticas,

[0011] um primeiro circuito de correção conectado ao módulo de planejamento de trajetória e o observador, pra gerar um primeiro sinal de comando zretomo(t) de acordo com a diferença entre as ditas solicitadas posição e velocidade e a dita posição e valor de retorno de velocidade, respectivamente,

[0012] um controlador de alimentação conectado ao módulo de planejamento de trajetória para gerar um segundo sinal de comando Zretomo(t) de acordo com uma computação das ditas posição, velocidade e aceleração solicitadas,

[0013] um somador conectado ao controlador e alimentação e ao primeiro circuito de correção para somar os primeiro e segundo sinais de comandos e despachar um terceiro sinal de comando zCom(t), um circuito de inversão não linear conectado ao somador para gerar sinais de comando de fluxo ΦiCom(t), Φ2com(t) para os ditos eletromagnetos do dito terceiro sinal de comando, e

[0014] um segundo circuito de correção conectado ao circuito de inversão não linear e ao observador para gerar sinais de comando de tensão Uicom(t), U2cOm(t) para os ditos amplificadores de potência que controlam a corrente fluindo nas bobinas eletromagnéticas dos mancais magnéticos ativos de acordo com a diferença entre os ditos sinais de comando de fluxo e valores de fluxo observados Φl(t), Φ2(t).

[0015] De acordo com outra feição da invenção, os ditos posição de retorno e valores de velocidade são posição obervada Z(t) e velocidade observada Z(t) despachadas por um observador recebendo pelo menos a dita posição medida Z(t) emitida pelos sensores de posição e as ditas intensidades de corrente li(t), l2(t) emitidas pelos elementos de detecção de corrente. O dito observador pode ainda receber tensões medidas U-i(t), U2(t) aplicadas às ditas bobinas eletromagnéticas ou fluxo medido obtido pelos elementos de detecção de fluxo e despacha fluxo observado para o dito segundo circuito de correção.

[0016] De preferência, o dito primeiro circuito de correção compreende um controlador proporcional-integral sobre a dita posição do rotor e um controlador proporcional sobre a velocidade do rotor e o dito segundo circuito de correção compreende um controlador proporcional sobre o fluxo das bobinas eletromagnéticas.

[0017] Vantajosamente, o dito módulo de planejamento de trajetória despacha ainda uma aceleração solicitada.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS

[0018] A invenção será mais bem entendida e detalhes adicionais e suas vantagens serão mais visíveis na descrição a seguir com referência aos desenhos anexos ilustrando modos de realização da invenção, e nos quais:

[0019] - a figura 1 ilustra um diagrama esquemático de um dispositivo de controle da posição de um rotor de um mancai magnético ativo de acordo com a invenção;

[0020] - a figura 2 mostra um fluxograma das etapas sucessivas executadas por um módulo de planejamento de trajetória da figura 1;

[0021] - as figuras 3 e 4 representam a posição e a velocidade do disco de empuxo de um mancai magnético axial para um clássico controle polarizado ou um controle de acordo com a invenção, respectivamente;

[0022] As figuras 5 e 6 representam a intensidade de corrente em cada eletromagneto de um mancai magnético axial para um clássico controle polarizado ou um controle de acordo com a invenção, respectivamente,; e

[0023] - as figuras 7 e 8 representam a tensão aplicada a cada eletromagneto de um mancai magnético axial para um clássico controle polarizado ou um controle de acordo com a invenção, respectivamente.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0024] A figura 1 mostra um bloco diagrama de um dispositivo de controle de acordo com a invenção para controlar a posição de um rotor 10A suportado por um mancai magnético ativo (mancai de empuxo 10) ao longo de um eixo Y-Y’ predeterminado.

[0025] O ponto de ajuste (ou seja, a posição desejada) constitui a entrada de um módulo de planejamento de trajetória 12 que despacha posição solicitada Zreq(t), velocidade solicitada Zreq(t) e aceleração solicitada zreq(t) para um circuito de geração de alimentação 14 que despacha um sinal de aceleração de alimentação Zfeedforward(t)-

[0026] O sinal de aceleração de alimentação Zfeedforward(t) é aplicado à primeira entrada de um somador 16 que recebe sobre uma segunda entrada um sinal de aceleração de alimentação Zfeedforward(t) de um circuito de correção 18.

[0027] O circuito de correção compreende um controlador proporcional-integral (OI) 18A recebendo a posição solicitada Zreq(t) do módulo de planejamento de trajetória 12 e uma posição observada Z(t) e um controlador proporcional 18B recebendo uma velocidade solicitada Zreq(t) do módulo de planejamento de trajetória 12 e uma velocidade observada Z(t). Zfeedforward(t) criado é a soma de saídas 18A e 18B.

[0028] A posição e velocidade observadas são despachadas por um observador 20 que recebe diferentes medições de diferentes sensores. Mais particularmente, o observador recebe uma posição medida do rotor Z(t) de detectores da posição de rotor (sensores de posição 8A, 8B; 9) localizados ao longo do eixo Y-Y’, correntes medidas h(t), l2(t) nas primeira e segunda bobinas 22A, 22B de um eletromagneto do mancai magnético ativo dos elementos de detecção de corrente 24A, 24B e tensões medidas U^t), U2(t) nas ditas primeira e segunda bobinas 22A, 22B. Entretanto, pode ser notado que apenas a posição medida e as correntes medidas são necessárias para o observador 20, que pode reconstruir a velocidade a partir destas duas medições e computar o retorno. Ao contrário, a disponibilidade das tensões medidas não é necessária (elas podem ser estimadas, em vez disso, a partir do comando U1com e U2com) ou pode ser substituída pelo fluxo medido obtido dos elementos de detecção de fluxo (não mostrados).

[0029] O sinal de aceleração de alimentação Zfeedforward(t) e o sinal de aceleração de retorno Zretorno(t) são adicionados no somador 16 para despachar um comando de aceleração de rotor Zcom(t) aplicado a um circuito de inversão não linear 26 que despacha sinais de comando de fluxo ΦiCom(t), Φ2com(t) para duas entradas de um controlador de fluxo proporcional 28 que também recebe sobre duas outras entradas fluxo observado ^i(t), ^2(t) no primeiro e segundo eletromagnetos do observador 20. O controlador proporcional de fluxo 28 emite comandos de tensão Uicom(t), U2com(t) para os amplificadores de potência 30A, 30B.

[0030] Com a invenção, o sinal de comando (comando de aceleração de rotor Zcom(t)) é a soma de um termo de retorno e outro termo (chamado de controle de planejamento de movimento), onde um controle dinâmico antecipado é computado a partir de uma dinâmica desejada realística. O termo de retorno pode ser computado com um controlador linear, como um PID ou um controle de retomo de estado. Este termo de retorno tenta seguir o planejamento de trajetória em vez do valor final do ponto de ajuste. O termo de controle de planejamento de movimento é um controle antecipado que gera um comando dinâmico correspondente a uma trajetória desejada. Mais particularmente, o termo de controle de planejamento de movimento pode ser adaptado em relação a algumas condicionantes, como a minimização da corrente parasita, por exemplo, e as limitações do sistema (amplificadores + dispositivos de comando + rotor) poderiam ser facilmente implementadas no termos de controle de planejamento de movimento.

[0031] A trajetória pode ser estabelecida para a força de mancai magnético prescrita, o fluxo magnético no mancai, a corrente no conjunto (ou seja, amplificador + eletromagneto), o movimento axial do rotor.

[0032] A trajetória computada pelo módulo de planejamento de trajetória será usada por duas razões, como ilustrado no fluxograma da figura 2, a trajetória de posição de ajuste na partida do sistema e as trajetórias do retorno para posição nominal quando granes distúrbios movem o rotor acima de um erro de posição máximo.

[0033] Sem dúvida, após uma primeira etapa de inicialização 100, um teste 102 de convergência dos observadores é realizado. Se o resultado for uma resposta negativa deste teste, um alarme 104 é ativado e o teste é prosseguido. Caso contrário, se uma resposta positiva for obtida do teste, os comandos de tensão Uicom(t), U2com(t) para os amplificadores de potência são criados (ou seja, trajetória de ajuste em uma etapa 106) e um alarme é ativado (etapa 108) enquanto Z * Zreq (teste da etapa 110). Quando Z ~ Zreq (resposta SIM no teste da etapa 110), a posição Z é lida em outra etapa 112 enquanto esta posição está abaixo de um erro de posição máximo (resposta NÃO no teste da etapa 114). Ao contrário, quando a posição Z está acima do erro de posição máximo (resposta SIM no teste da etapa 114), os comandos de tensão Uicom(t), U2com(t) para os amplificadores de potência são criados (ou seja, trajetória de rejeição em uma etapa 116) e um alarme é ativado (etapa 118) enquanto Z ΦZreq antes de retornar para a etapa 112 de leitura da posição Z.

[0034] Para melhor compreensão da invenção, resultados de testes que mostram a comparação do comportamento de um controle polarizado clássico (controlador PID) e o controle de acordo com a invenção durante a fase de partida do controle da posição de um mancai magnético ativo axial estão ilustrados nas figuras 3 a 8. Deve ser notado que a corrente nos amplificadores é limitada par apenas valores positivos. Desse modo, o valor negativo de tensão só pode comandar a diminuição de corrente nominal: uma tensão negativa mantida leva a corente nula. A posição axial do disco de empuxo acoplado sobre o rotor do mancai magnético axial é ajustada a partir da posição inicial para a posição nominal.

[0035] A figura 3 representa a posição do dispositivo de comando de empuxo Z(t) com um controle clássico 120 e um controle de acordo com a invenção 122. A terceira curva 124 ilustra Zreq(t) co o controle de acordo com a invenção. Devido à natura de planura das curvas em oposição à forma clássica, o controle de acordo com a invenção é chamado pelos inventores de um controle baseado em planura (FBC).

[0036] A figura 4 representa a velocidade do disco de empuxo com um controle clássico 130 e um controle de acordo com a invenção 132. A terceira curva 134 ilustra a velocidade observada Z(t) com o controle de acordo com a invenção.

[0037] A figura 5 representa a intensidade de corrente h(t) no primeiro eletro magneto com um controle clássico 140 e um controle de acordo com a invenção 142 e a figura 6 a intensidade de corrente l2(t) no segundo eletromagneto com um controle clássico 150 e um controle de acordo com invenção 152.

[0038] A figura 7 representa a tensão U^t) aplicada ao primeiro eletromagneto com um controle clássico 160 e um controle de acordo com a invenção 162, e a figura 8 a tensão U2(t) plicada ao segundo eletromagneto com um controle clássico 170 3 um controle de acordo com a invenção 172.

[0039] A presente invenção compreende uma pluralidade de vantagens, ou seja:

[0040] A possibilidade de controlar o mancai de empuxo magnético sem bias (fluxo/corrente) de modo que a energia consumida usando este controlador pode ser muito menor do que controladores com um controle polarizado clássico,

[0041] A possibilidade de efetuar facilmente um controle com bom desempenho não apenas na posição nominal, mas também em qualquer posição no vão de ar,

[0042] A possibilidade de o rotor seguir qualquer trajetória de posição atingível suficientemente diferenciável dentro do vão de ar, e

[0043] A possibilidade de levar em consideração as limitações físicas do sistema sem compromisso sobre o controlador (termo de controle de retorno).

[0044] A invenção é particularmente adequada para mancais magnéticos axiais de máquinas importantes, como resfriadores ou turbo-expansores, por exemplo, como para mancais magnéticos axiais dentro de sistemas menores, como HVAC para carros ou caminhões.

[0045] Embora modos de realização preferidos tenham sido mostrados e descritos, deve ser notado que qualquer mudança e modificação pode ser feita nos mesmos sem se afastar do escopo da invenção conforme definido nas reivindicações anexas. Por exemplo, se o circuito de controle tiver sido explicado com um par de eletromagnetos expostos, é claro que ele é generalizado para quatro pares de eletromagnetos.

Claims

1. Dispositivo de controle para controlar a posição de um rotor (10A) suportado por mancais magnéticos ativos supridos através de amplificadores de potência (30A, 30B) cujas saídas são conectadas a bobinas eletromagnéticas (22A, 22B) dos ditos mancais magnéticos ativos, o dito dispositivo de controle caracterizado pelo fato de compreender: um módulo de planejamento de trajetória (12) para gerar uma posição e uma velocidade solicitadas, um observador (20) para gerar um valor de retorno de posição e um valor de retorno de velocidade a partir de medições de pelo menos uma posição (Z(t)) do dito rotor e intensidades de corrente (I1(t), I2(t)) nas ditas bobinas eletromagnéticas, um primeiro circuito de correção (18) conectado ao módulo de planejamento de trajetória e ao observador para gerar um primeiro sinal de comando (Zretorno(t)) de acordo com a diferença entre dita posição e velocidade solicitadas e o dito valor de retorno de posição e velocidade, respectivamente, um controlador de alimentação (14) conectado ao módulo de planejamento de trajetória para gerar um segundo sinal de comando (Zalimentação(t)) de acordo com uma computação das ditas posição e velocidade solicitadas, um somador (16) conectado ao controlador de alimentação e ao primeiro circuito de correção para somar os primeiro e segundo sinais de comandos e despachar um terceiro sinal de comando (Zcom(t)), um circuito de inversão não linear (26) conectado ao somador para gerar sinais de comando de fluxo (Φ1com(t), Φ2com(t)) para as ditas bobinas eletromagnéticas do dito terceiro sinal de comando, e um segundo circuito de correção (28) conectado ao circuito de inversão não linear e ao observador para gerar sinais de comando de tensão (U 1com (t), U2com (t)) para os ditos amplificadores de potência que controlam a corrente fluindo nas bobinas eletromagnéticas dos mancais magnéticos ativos de acordo com a diferença entre os ditos sinais de comando de fluxo e valores de fluxo observados (Φ1(t), Φ2(t)).

2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato dos ditos valores de retorno de posição e velocidade serem posição observada Z(t) e velocidade observada Z(t) despachada por um observador (20) recebendo pelo menos a dita posição medida Z(t) emitia por sensores de posição (8A, 8B; 9) e as ditas intensidades de corrente (I1(t), I2(t)) emitidas por elementos de detecção de corrente (24A, 24B).

3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato do dito observador receber adicionalmente tensões medidas (U1(t), U2(t)) aplicadas às ditas bobinas eletromagnéticas ou fluxo medido obtido de elementos de detecção de fluxo e despachar fluxo observado para o dito segundo circuito de correção.

4. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato do dito primeiro circuito de correção compreender um controlador proporcional-integral sobre a dita posição do rotor e um controlador proporcional sobre a velocidade do rotor.

5. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato do dito segundo circuito de correção compreender um controlador proporcional sobre o fluxo das bobinas eletromagnéticas.

6. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato do dito módulo de planejamento de trajetória despachar adicionalmente uma aceleração solicitada.