BR102015009404A2

BR102015009404A2 - Método para se estimar a velocidade de um motor de indução e sistema

Info

Publication number: BR102015009404A2
Application number: BR102015009404-3A
Authority: BR
Inventors: Pinjia Zhang; Patel Bhageerath Reddy; Prabhakar Neti
Original assignee: Ge Energy Power Conversion Technology Ltd.
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2015-04-27
Publication date: 2018-03-06
Also published as: CN105048924B; BR102015009404A8; US20150311849A1; EP2942867B1; CN105048924A; EP2942867A2; EP2942867A3; US9431949B2; CA2887833A1

Abstract

um método (100) para se estimar uma velocidade de um motor de indução que inclui aplicar (102) uma tensão ao motor de indução e medir (104) uma corrente do motor de indução. uma transformação rápida de fourier de corrente (fft) da corrente é, então, determinada (106) e um deslizamento do motor de indução é calculado (108) com base na corrente fft. uma velocidade do motor de indução é, então, (110) estimada, com base no deslizamento do motor de indução.

Description

(54) Título: MÉTODO PARA SE ESTIMAR A VELOCIDADE DE UM MOTOR DE INDUÇÃO E SISTEMA (51) Int. Cl.: H02P 23/14 (30) Prioridade Unionista: 29/04/2014 US 142/264,332 (73) Titular(es): GE ENERGY POWER CONVERSION TECHNOLOGY LTD.

(72) Inventor(es): PINJIAZHANG; PATEL BHAGEERATH REDDY; PRABHAKAR NETI (74) Procurador(es): PRISCILA BARROS THEREZA YAMASHITA (57) Resumo: Um método (100) para se estimar uma velocidade de um motor de indução que inclui aplicar (102) uma tensão ao motor de indução e medir (104) uma corrente do motor de indução. Uma transformação rápida de Fourier de corrente (FFT) da corrente é, então, determinada (106) e um deslizamento do motor de indução é calculado (108) com base na corrente FFT. Uma velocidade do motor de indução é, então, (110) estimada, com base no deslizamento do motor de indução.

1/13 “MÉTODO PARA ESTIMAR A VELOCIDADE DE UM MOTOR DE INDUÇÃO E SISTEMA”

Campo da Invenção [001] As realizações da invenção referem-se a motores indutores e, mais especificamente, à estimativa de velocidade de motores indutores.

Antecedentes da Invenção [002] Motores industriais são componentes fundamentais de pedidos industriais. A falha de motores industriais não só leva ao reparo dos próprios motores, como também, causa perda de produção, o que normalmente é mais dispendioso do que o próprio motor. O custo associado ao reparo ou à manutenção de motores pode ser minimizado monitorando-se de perto a condição de saúde do motor e agendando-se manutenção de maneira proativa. Portanto, monitorar a condição de saúde de motores, durante sua operação é altamente desejado pelo cliente para se minimizar períodos de inatividade e o custo associado com manutenção e reparo de motor.

[003] Motores de indução são um dos motores mais comumente usados em aplicações industriais. O modo de falha mais típico de motores de indução de grande porte inclui defeito entre espirais do estator, barra de rotor quebrada, rolamento defeituoso, excentricidade de rotor, desalinhamento de eixo, afrouxamento de base, etc. A detecção confiável dessas falhas em estágio inicial é fundamental para o monitoramento da condição desses motores. Além da detecção da anomalia de motor, a estimativa de desempenho, incluindo o torque de rendimento do motor, a eficiência, o uso de energia, etc., são outro conjunto de parâmetros fundamental para se monitorar em motores de indução. Qualquer tendência desses parâmetros relacionados ao desempenho pode indicar uma condição anormal da operação do motor.

[004] Uma medição da velocidade de rotor de motor de indução é exigida por meio de muitos módulos de monitoramento e diagnóstico, tal

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2/13 como estimativa de torque, estimativa de eficiência, detecção de barra de rotor quebrada, etc. Ademais, para controle de circuito fechado de motores de indução, a determinação de velocidade é necessária.

[005] Portanto, existe uma necessidade para um sistema e um método para determinar a velocidade de motores de indução.

Descrição da Invenção [006] De acordo com uma realização da presente técnica, é fornecido um método para se estimar uma velocidade de um motor de indução. O método inclui a aplicação de uma tensão ao motor de indução, medindo-se uma corrente do motor de indução e determinando-se uma transformação rápida de Fourier (FFT) da corrente. O método inclui ainda a determinação de um deslizamento do motor de indução com base na corrente FFT e a estimativa da velocidade do motor de indução com base no deslizamento do motor de indução.

[007] De acordo com outra realização da presente técnica, é fornecido um sistema que inclui uma fonte de alimentação para fornecer uma tensão a um motor de indução e uma unidade de medição para medir uma corrente do motor de indução. O sistema inclui, também, um processador para se estimar uma velocidade do motor de indução. O processador inclui um módulo de transformação rápida de Fourier (FFT) para se determinar uma corrente FFT da corrente, um módulo de cálculo de deslizamento para se determinar um deslizamento do motor de indução com base na corrente FFT e um módulo de cálculo de velocidade para se estimar uma velocidade do motor de indução com base no deslizamento do motor de indução.

Breve Descrição dos Desenhos [008] Esses e outros recursos, realizações e vantagens da presente invenção serão mais bem entendidos quando as descrições detalhadas a seguir forem lidas com referência aos desenhos anexos, nos

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3/13 quais caracteres iguais representam partes iguais ao longo dos desenhos, em que:

- A Figura 1 é uma representação diagramática de um sistema para um controle de motor de indução;

- A Figura 2 é uma representação diagramática de uma realização de um módulo de estimativa de velocidade para uso no sistema da Figura 1, de acordo com realizações da presente invenção;

- A Figura 3 é uma representação diagramática de uma realização de um método para cálculo de deslizamento de motor usado na Figura 2, de acordo com realizações da presente invenção;

- A Figura 4 é uma representação diagramática de outra realização de um método para cálculo de deslizamento de motor usado na Figura 2, de acordo com realizações da presente invenção; e

- A Figura 5 é uma representação fluxogramática de um método para se estimar a velocidade de um motor de indução, de acordo com realizações da presente invenção.

Descrição de Realizações da Invenção [009] A menos que seja definido de outra forma, os termos técnicos e científicos usados no presente documento têm o mesmo significado conforme é entendido, em geral, por um técnico no assunto à qual essa invenção pertence. Os termos “primeiro”, “segundo” e semelhantes, como os usados nesse documento, não denotam qualquer ordem, quantidade ou importância, e sim são usados para distinguir um elemento de outro. Da mesma forma, os termos “um” e “uma” não denotam uma limitação de quantidade, e sim a presença de pelo menos um dos itens referenciados. O termo “ou” pretende ser inclusivo e significar um, alguns ou todos os itens listados. O uso de “incluindo”, “que compreende” ou “tem” e variações dos mesmos no presente documento pretende abranger os itens listados

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4/13 posteriormente e equivalentes aos mesmos, assim como itens adicionais. Os termos “conectado” e “acoplado” não estão restritos a conexões ou acoplamentos físicos ou mecânicos e podem incluir conexões ou acoplamentos elétricos, diretos ou indiretos. Ademais, os termos “circuito”, “conjunto de circuitos”, “controlador” e “processador” podem incluir um componente único ou uma pluralidade de componentes, que são ativos e/ou passivos e são conectados ou de outra forma acoplados uns aos outros para fornecer a função descrita.

[010] Voltando-se agora para os desenhos, a título de exemplo na Figura 1, é representado um sistema 10 para estimativa de velocidade de motor de indução. Em uma realização, o sistema 10 para estimativa de velocidade de motor de indução pode incluir uma fonte de alimentação 12, um motor de indução 14, uma unidade de medição 17, uma carga 15 e um processador 16. Em uma realização, a fonte de alimentação 12 pode incluir uma fonte de corrente alternada, tal como um gerador ou uma malha de fornecimento de energia. Em outra realização, a fonte de alimentação 12 pode incluir um conversor de energia, tal como um conversor de corrente direta (DC) para corrente alternada (AC). Além disso, o motor de indução 14 pode ser um motor trifásico e, portanto, a fonte de alimentação 12 pode também ser uma fonte de alimentação trifásica. Da mesma forma, a carga 15 pode incluir uma carga mecânica, tal como uma grua elevada, um compressor, uma unidade industrial, um veículo elétrico e semelhantes.

[011] Em geral, um motor de indução 14 inclui um estator (não mostrado) e um rotor (não mostrado). A fonte de alimentação 12 aplica uma tensão ao longo do estator, e a carga 15 é conectada ao rotor através de um eixo mecânico. Quando a tensão é aplicada ao longo do estator do motor de indução 14, isso produz um campo magnético giratório que induz correntes no rotor do motor de indução. O rotor, por sua vez, produz outro campo magnético

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5/13 e a interação entre o campo magnético giratório e o campo magnético do rotor faz com que o rotor gire e, por sua vez, a carga 15 gire. A unidade de medição 17 mede uma corrente e a tensão do motor de indução e fornece a mesma ao processador 16. Deve-se observar que o sistema 10 pode incluir também conversores do analógico para o digital, conversores do digital para o analógico, filtros e outros elementos que podem ser necessários para operação geral, mas não são mostrados na Figura 1.

[012] O processador 16 inclui um módulo de estimativa de velocidade 18 que estima uma velocidade do motor de indução com base em várias medições. Em uma realização, o processador 16 pode também controlar vários parâmetros de motor do motor de indução, incluindo velocidade, torque etc. O processador 16 pode fornecer sinais de controle à fonte de alimentação 12 que, por sua vez, controla a tensão/frequência aplicada ao longo do motor de indução para controlar os parâmetros de motor.

[013] O processador 16 pode incluir um computador, um processador de sinal digital (DSP) ou um Arranjo de Portas Programável em Campo (FPGA). Da mesma forma, as funções do processador 16 podem ser implantadas em uma variedade de linguagens de programação, incluindo, mas não se limitando a, Ruby, Hypertext Pre-processor (PHP), Perl, Delphi, Python, C, C++ ou Java. Tais códigos podem ser armazenados ou adaptados para armazenamento em um ou mais mídias tangíveis e legíveis por máquina, tal como chips repositórios de dados, discos rígidos locais ou remotos, discos ópticos (isto é, CDs ou DVDs), unidades de estado sólido, ou outras mídias, que podem ser acessados pelo sistema baseado em processador para executar o código armazenado. Além disso, em certas realizações, o sistema 10 pode incluir uma unidade de exibição (não mostrada). Em algumas realizações, a unidade de exibição pode formar parte do processador 16 ou do módulo de estimativa de velocidade 18.

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6/13 [014] Agora, em referência à Figura 2, uma representação diagramática de uma realização de um módulo 40 de estimativa de velocidade para uso no sistema da Figura 1, de acordo com realizações da presente invenção, é apresentada. Em uma realização, o módulo de estimativa de velocidade 40 inclui um módulo de Transformação rápida de Fourier (FFT) 42, um módulo de cálculo de deslizamento de motor 44, um módulo de cálculo de velocidade de motor 46 e uma unidade de exibição 48.

[015] O módulo FFT 42 pode receber entradas, tal como uma tensão de motor v_m e uma corrente de motor i_m. Deve-se observar que a tensão de motor v_m e a corrente de motor im podem ser quantidades trifásicas. O módulo FFT 42 transforma sinais de tensão de motor de domínio de tempo v_m e de corrente de motor im em sinais de domínio de frequência. Em outras palavras, o módulo FFT 42 gera um espectro de frequência de tensão de motor vm e corrente de motor i_m. Gerar o espectro de frequência inclui determinar magnitudes e fases de várias frequências de componente (isto é, harmônicos) de sinais v_m e im. Vários algoritmos FFT podem ser utilizados pelo Módulo FFT 42 para gerar o espectro de frequência. Exemplos de algoritmos FFT incluem o algoritmo FFT do fator primo, o algoritmo FFT de Brunn, algoritmo FFT de Cooley-Tukey, etc. Em uma realização, uma fórmula usada para transformar corrente de motor i_m e tensão de motor v_m de domínio de tempo em domínio de frequência pode ser apresentada como:

= '‘n fc = 0......N-1

O)

K, = fc=0......N-1 (2)

- em que k é um número harmônico que varia de 0 a N-1, n é um número de amostra que varia de 0 a N-1, e lk e Vk são correntes de motor e tensão de motor em frequência /ê^h respectivamente. Como pode ser visto pelas

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7/13 equações acima, tanto lk quanto Vk têm um componente real e um componente imaginário e podem ser melhor representados como:

= fc = o.......jv-1 (4)

- em que A e B são componentes reais e imaginários da corrente de motor e C e D são componentes reais e imaginários da tensão de motor, respectivamente. As equações (3) e (4) podem fornecer ainda magnitude e fase de harmônico e, portanto, espectros de magnitude e fase podem ser obtidos. Por exemplo, uma magnitude da corrente de motor para o harmônico pode ser apresentada como e uma fase da corrente de motor for o harmônico pode ser apresentada como.

[016] Fazendo-se referência de novo à Figura 2, em uma realização, o módulo de cálculo de deslizamento de motor 44 determina um deslizamento de motor do motor para uma determinada condição com base na corrente de motor FFT como apresentado na equação (3) ou o respectivo espectro de magnitude discutido acima. Em uma realização alternativa, o módulo de cálculo de deslizamento de motor 44 determina o deslizamento de motor com base na energia elétrica P consumida pelo motor para a determinada condição. A energia elétrica P pode ser calculada ainda com base na corrente de motor FFT e na tensão de motor FFT apresentadas pelas equações (3) e (4) acima. Os detalhes de ambas as realizações do módulo de cálculo de deslizamento 44 mencionado acima serão discutidos em relação às figuras 2 e 3, respectivamente.

[017] Uma vez que o deslizamento de motor é calculado pelo módulo de cálculo de deslizamento de motor 44, o módulo de cálculo de velocidade de motor 46 estima a velocidade do motor de indução com base no deslizamento de motor e pode exibir a mesma na unidade de exibição 48. Em

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8/13 uma realização, o módulo de cálculo de velocidade de motor 46 estima a velocidade do motor de indução com base na seguinte equação:

(5)

- em que é a velocidade do motor de indução em revoluções/minuto, é uma velocidade síncrona do motor de indução em revoluções/minuto e é o deslizamento de motor. A velocidade síncrona do motor de indução pode ser calculada pela seguinte equação:

= 120 X f /p ³ (6)

- em que fé uma frequência nominal do motor de indução, e p é um número de polos do motor de indução.

[018] Agora, em referência à Figura 3, é apresentada a representação diagramática 60 de uma realização de um método de cálculo de deslizamento usado no módulo de cálculo de motor 44 da Figura 2. O método de cálculo de deslizamento 60 inclui determinar uma primeira frequência na etapa 62. A primeira frequência pode também ser referida como uma frequência aproximada de desalinhamento fmis-approx e é determinada com base na relação entre o número de polos p e a frequência nominal /do motor de indução. Em uma realização, uma frequência de desalinhamento real fmis pode ser apresentada na equação:

=/[l± (7)

- em que s é o deslizamento de motor, k é um número inteiro dependente de harmônico. Em uma realização, k é igual a 1. Deve-se observar que a frequência de desalinhamento é um sinal harmônico que é um resultado do desalinhamento de eixo do motor de indução e que pode ser usado para se avaliar a velocidade do motor de indução. Como o deslizamento de motor s o qual é geralmente bem pequeno não é conhecido nesta etapa, é aproximado

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9/13 ou substituído para ser zero, isto é, s=0. Portanto, a frequência de desalinhamento aproximada fmis-approx é, então, apresentada como f, = f[l±k/p\ [019] O método para cálculo de deslizamento 60 inclui também determinar um primeiro harmônico de corrente na etapa 64. O primeiro harmônico de corrente é determinado a partir da corrente de motor FFT e tem uma segunda frequência Í2 que é adjacente à primeira frequência fmis-approx. O primeiro harmônico de corrente de motor também tem uma magnitude mais elevada se comparado a outros harmônicos de corrente que têm frequências adjacentes à primeira frequência. Por exemplo, supondo que a primeira frequência seja 48 Hz e existam dois harmônicos de corrente com frequências 47,9 Hz e 48,1 Hz que são adjacentes à primeira frequência. Se os dois harmônicos de corrente (47,1 Hz e 48,1 Hz) têm magnitudes de 0,9 por unidade (pu) e de 0,94 pu respectivamente, então a segunda frequência selecionada seria a frequência de 48,1 Hz. Assim é porque o harmônico de corrente da frequência 48.1 Hz tem magnitude relativamente mais elevada se comparado a outros harmônicos de corrente que têm frequências adjacentes à primeira frequência.

[020] Uma vez que o primeiro harmônico de corrente é determinado, a etapa 66 inclui determinar a frequência de desalinhamento real fmis com base em uma primeira magnitude magí do primeiro harmônico de corrente, uma segunda magnitude ma^de um segundo harmônico de corrente que tem a primeira frequência e os valores da primeira frequência fmis-approx e da segunda frequência Í2. Em uma realização, a frequência de desalinhamento fmis pode ser apresentada como:

fmis— (1b) fmis approx +b*Í2 (9)

- em que b=(2a-1) /(a+1) e a=mag2/magi.

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10/13 [021] O método para cálculo de deslizamento 60 inclui ainda determinar o deslizamento de motor com base na frequência de desalinhamento fmis na etapa 68. O deslizamento de motor s pode ser calculado como:

^k f (10)

- em que de novo fé a frequência nominal do motor de indução, p é o número de polos do motor de indução, e k é um número inteiro. Esse deslizamento de motor pode então ser utilizado para se determinar a velocidade de motor de acordo com a equação (5).

[022] Agora, em referência à Figura 4, é apresentada a representação diagramática 80 de outra realização de um método de cálculo de deslizamento usado no módulo de cálculo de motor 44 da Figura 2. O método de cálculo de deslizamento 80 inclui determinar uma potência de entrada Pinput do motor de indução na etapa 82. A potência de entrada do motor de indução é determinada com base em uma relação entre a corrente de motor FFT e a tensão de motor FFT. Em uma realização, a potência de entrada Pinput pode ser apresentada na equação:

- em que Ak, Ck são componentes reais da corrente de fase lk e da tensão de fase Vk respectivamente, e Bk, Dk são componentes imaginários da corrente de fase lk e da tensão de fase Vk respectivamente. Ademais, k é o número harmônico que varia de 0 a N/2-1, em que N é o número de amostras de corrente de fase lk e/ou tensão de fase Vkde domínio de tempo. Em outra realização, em que o motor de indução pode estar desequilibrado, a potência de entrada Pinput pode ser determinada ao se determinar a potência de entrada para cada fase separadamente e, então, somando-se uma à outra.

[023] O método de cálculo de deslizamento 80 inclui ainda

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11/13 determinar o deslizamento de motor s na etapa 84. Nessa realização, o deslizamento de motor s é determinado com base em uma relação entre uma potência nominal Prated, um deslizamento nominal Srated e a potência de entrada

Pinput do motor de indução, isto é,

S=Pinput*Srated/Prated (12)

Srated=(^W<(13)

- em que é a velocidade nominal do motor de indução e

C/J é a velocidade síncrona do motor de indução determinada de acordo com a equação (6). Tanto a potência nominal Prated quanto a velocidade nominal podem ser determinadas a partir da placa de identificação do motor de indução. Esse deslizamento de motor pode, então, ser utilizado para se determinar a velocidade de motor de acordo com a equação (5).

[024] Agora, em referência à Figura 5, é apresentada uma representação fluxogramática 100 de um método para se estimar uma velocidade de um motor de indução. Na etapa 102, o método 100 inclui aplicar uma tensão de motor ao motor de indução. A tensão de motor pode ser uma tensão trifásica e pode ser aplicada através de um conversor de DC para AC. Na etapa 104, é determinada uma corrente de motor do motor de indução é medida e, na etapa 106, uma transformação rápida de Fourier de corrente da corrente de motor. Vários algoritmos FFT podem ser utilizados para se determinar a corrente de motor FFT. Exemplos de algoritmos FFT incluem o algoritmo FFT do fator primo, o algoritmo FFT de Brunn, o algoritmo FFT de Cooley-Tukey, etc. Na etapa 108, um deslizamento de motor do motor de indução é determinado com base na corrente de motor FFT e, finalmente, na etapa 110, a velocidade do motor de indução é estimada com base no deslizamento de motor.

[025] As vantagens da presente técnica incluem medição de velocidade sem sensor que possibilita monitoramento online da saúde do

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12/13 motor. Ademais, a técnica é uma solução de baixo custo e tem alta precisão e baixa dependência da qualidade de dados.

[026] Embora apenas certos recursos da invenção tenham sido ilustrados e descritos no presente documento, muitas modificações e mudanças irão ocorrer aos técnicos no assunto. Portanto, deve ser entendido que as reivindicações anexas são destinadas a cobrir todas essas modificações e mudanças na medida em que se enquadrem no verdadeiro escopo da invenção.

Lista De Elementos

Sistema para estimativa de velocidade para motor de indução

Fonte de alimentação

Motor de indução

Carga

Processador

Unidade de medição

Módulo de estimativa de velocidade

Módulo de estimativa de velocidade módulo de Transformação rápida de Fourier (FFT) módulo de cálculo de deslizamento de motor módulo de cálculo de velocidade de motor unidade de exibição

Representação diagramática de método de cálculo de deslizamento

62-68 Etapas de representação diagramática

Representação diagramática de método de cálculo de deslizamento

82-84 Etapas de representação diagramática

100 Representação diagramática de um método para estimar uma

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13/13 velocidade de um motor de indução

102-110 Etapas de representação diagramática

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Claims

Reivindicações

1. MÉTODO (100) PARA ESTIMAR A VELOCIDADE DE UM MOTOR DE INDUÇÃO (14), caracterizado pelo fato de que compreende:

- aplicar (102) uma tensão ao motor de indução (14);

- medir (104) uma corrente do motor de indução (14);

- determinar (106) uma transformação rápida de Fourier (FFT) de corrente da corrente;

- determinar (108) um deslizamento do motor de indução com base na corrente FFT; e

- estimar (110) a velocidade do motor de indução com base no deslizamento do motor de indução (14).
2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o deslizamento do motor de indução (14) é determinado com base em uma frequência de desalinhamento calculada a partir do harmônico de corrente, uma frequência nominal e um número de polos.
3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que determinar o deslizamento do motor de indução compreende ainda determinar uma primeira frequência do motor de indução (14) com base em uma relação entre a frequência nominal e o número de polos do motor de indução (14).
4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que compreende determinar um primeiro harmônico de corrente a partir de uma corrente de motor FFT, em que o primeiro harmônico de corrente tem uma segunda frequência que é adjacente à primeira frequência e tem uma magnitude mais elevada se comparado a outros harmônicos de corrente que têm frequências adjacentes à primeira frequência.
5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que compreende determinar a frequência de desalinhamento do

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2/3 motor de indução com base em uma relação entre uma primeira magnitude do primeiro harmônico de corrente, uma segunda magnitude de um segundo harmônico de corrente que tem a primeira frequência, a primeira frequência e a segunda frequência.
6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende determinar uma transformação rápida de Fourier de tensão (FFT) da tensão.
7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que determinar o deslizamento do motor de indução (14) compreende determinar uma relação entre uma potência nominal e um deslizamento do motor de indução (14) e uma potência de entrada do motor de indução (14).
8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a potência de entrada do motor de indução (14) é determinada com base na tensão FFT e na corrente FFT.
9. SISTEMA (10), caracterizado pelo fato de que compreende:

- uma fonte de alimentação (12) para fornecer uma tensão a um motor de indução (14);

- uma unidade de medição (17) para medir uma corrente do motor de indução;

- um processador (16) para estimar uma velocidade do motor de indução, em que o processador compreende:

- um módulo (42) de transformação rápida de Fourier (FFT) para se determinar uma corrente FFT da corrente;

- um módulo de cálculo de deslizamento (44) para se determinar um deslizamento do motor de indução com base na corrente FFT; e

- um módulo de cálculo de velocidade (18) para estimar uma

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3/3 velocidade do motor de indução com base no deslizamento do motor de indução.
10. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a fonte de alimentação compreende um conversor de corrente direta (DC) para corrente alternada (AC).

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