BR112012019646B1 - método para controlar uma máquina ou uma carga elétrica, controlador de acionamento e uso do controlador de acionamento - Google Patents

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/14—Estimation or adaptation of motor parameters, e.g. rotor time constant, flux, speed, current or voltage

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Abstract

método para controlar uma máquina ou uma carga elétrica, controlador de acionamento , programa e produto de computador e uso do controlador de acionamento a invenção refere-se a um controlador de acionamento disposto para prover energia elétrica de uma fonte de alimentação (10) para uma máquina (8) ou uma carga , ,sobre um cabo de energia ca longo da ordem de quillômetros. o controlador de acionamento ( 4 ) está disposto com circuito e/ou processos de controle para prover uma corrente ca em uma razão constante de tensão elétrica e frequência para a dita máquina (8) ou carga. o controlador de acionamento mantém a tensão elétrica e a frequência nos terminais de máquinas apesar de flutuações em tensão elétrica e/ou frequência que comumente seriam causadas pela carga . isto é feito estimando a tensão elétrica e a corrente nos terminais de máquinas e adaptando a saída de controlador de acionamento consequentemente para variar ativamente a saída de conversor dependendo da carga de máquina ou outra carga. em outros aspectos da invenção um método e um programa de computador para executar o método estão descritos.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÉTODO PARA CONTROLAR UMA MÁQUINA OU UMA CARGA ELÉTRICA, CONTROLADOR DE ACIONAMENTO E USO DO CONTROLADOR DE ACIONAMENTO .
CAMPO DA TÉCNICA [001] A presente invenção refere-se a um método para controlar uma carga elétrica ou uma máquina a qual é suprida com energia CA sobre uma linha longa. A carga ou máquina pode ser suprida por um controlador de motor tal como uma fonte de energia de frequência variável, um inversor conversor de energia de frequência variável ou um conversor. É especificamente vantajoso quando utilizado para controlar uma carga elétrica ou uma máquina em uma instalação para produção, distribuição e/ou processamento na indústria de Óleo e Gás.
ANTECEDENTES DA TÉCNICA [002] Quando alimentando uma energia CA através de cabos longos em sistemas de transmissão que alimentam uma carga elétrica (máquinas e/ou outras cargas), a tensão elétrica na extremidade de consumidor será pesadamente influenciada pela carga elétrica consumida pelo consumidor. Um exemplo de tal cabo longo é um cabo com alguns quilômetros de comprimento que conecta um suprimento de energia em terra para um transformador ou para um motor de uma bomba instalada no mar. No campo de exploração de produção de Óleo e Gás, tais cargas ou máquinas podem estar, por exemplo, montadas sobre o leito do mar a dezenas de quilômetros afastadas da terra ou outra plataforma de navio. Um equipamento elétrico tal como uma bomba de múltiplas fases ou uma bomba de intensificação de pressão submarina ou um compressor submarino utilizado nas instalações de produção ou transferência de Óleo e Gás pode ser operado submarino, por exemplo, no leito do mar, em profundidades de 1000 metros, ou mais.
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2/18 [003] Quando um cabo de energia torna-se muito longo e/ou a frequência torna-se alta, a tensão elétrica torna-se ainda mais dependente da carga elétrica consumida pelo consumidor ou unidade de consumo, e em um ponto não é possível manter a tensão elétrica dentro de limites aceitáveis sem executar ações ativas, exemplos das quais podem ser:
1. Um controle ativo da tensão elétrica nos terminais de motor utilizando um retorno de tensão elétrica de motor medida com regulação de tensão elétrica na extremidade de envio do cabo;
2. Um controle de energia reativa por meio de adição de reatores na extremidade de envio, ou na extremidade de recepção, compensação de Var Estática (compensação de energia reativa de ação rápida), ou um equipamento similar.
[004] Uma solução seria medir a tensão elétrica na extremidade de transmissão, isto é, na extremidade de carga, e utilizar esta como um retorno para um controle de loop fechado da tensão elétrica. No entanto, isto pode tornar-se uma solução desafiadora e mais dispendiosa especialmente para os sistemas submarinos, já que isto levaria a um equipamento adicional sendo instalado submarino. Outro desafio técnico é a penetração adicional de equipamento submarino e conexão de transferência de medição do sistema de controle de conversor. A penetração de água no mar e a pressão de água em profundidades submarinas são problemas técnicos adicionais. Este tipo de solução pode assim criar desafios técnicos e questões com relação à confiabilidade do sistema em caso de falha de componente.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO [005] O objetivo da presente invenção é remediar um ou mais dos problemas acima mencionados. Estes e outros objetivos são obtidos por um método de acordo com a invenção.
[006] De acordo com um primeiro aspecto da invenção, um mé
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3/18 todo está descrito para controlar uma máquina ou uma carga elétrica suprida por um controlador de acionamento de velocidade variável sobre um cabo de energia CA longo, em cujo método o dito controlador de acionamento de velocidade variável é operado para prover uma corrente CA para a dita carga ou máquina a uma razão de tensão elétrica e frequência substancialmente constante obtendo uma estimativa ou uma medição de uma saída de tensão elétrica (Vconv) e corrente no dito controlador de acionamento, o dito método compreendendo calcular uma tensão elétrica estimada (Vm_est) nos terminais da dita máquina ou carga elétrica e adicionar uma diferença entre a estimativa e a saída para controlar o controlador de acionamento para prover a dita razão constante de tensão elétrica e frequência nos terminais da dita carga ou máquina com base na tensão elétrica estimada nos terminais.
[007] De acordo com uma modalidade da invenção, um método está provido para controlar uma máquina ou uma carga elétrica suprida por um controlador de acionamento de velocidade variável sobre um cabo de energia CA longo, em cujo método uma tensão elétrica estimada (Vm_est) nos terminais da dita máquina ou carga elétrica é calculada ou modelada e uma diferença entre a estimativa e a saída adicionada para controlar o controlador de acionamento de velocidade variável para prover uma razão de tensão elétrica e frequência substancialmente constante nos terminais da dita carga ou máquina com base na tensão elétrica estimada nos terminais o dito método também compreendendo calcular a corrente e a tensão elétrica estimadas do dito controlador de acionamento com base em uma referência de tensão elétrica interna de conversor para o modulador como uma referência para uma transformação dq.
[008] De acordo com outra modalidade da invenção, um método está provido para controlar uma máquina ou uma carga elétrica supri
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4/18 da por um controlador de acionamento sobre um cabo de energia CA longo, no dito método o dito controlador de acionamento é operado para prover uma corrente CA para a dita carga ou máquina em uma razão de tensão elétrica e frequência substancialmente constante o dito método compreendendo calcular ou modelar uma tensão elétrica estimada (Vm_est) nos terminais da dita máquina ou carga elétrica e adicionar uma diferença entre a estimativa e a saída para controlar o controlador de acionamento para prover a dita razão constante de tensão elétrica e frequência nos terminais da dita carga ou máquina com base na tensão elétrica estimada nos terminais, o dito método ainda compreendendo prover a diferença entre a estimativa de tensão elétrica (Vm_est) e a saída de tensão elétrica (Vconv) para um controlador de tensão elétrica complementar disposto para controlar o controlador de acionamento de velocidade variável e compensar pela diferença assim provendo a dita razão constante de tensão elétrica e frequência nos terminais da dita máquina ou carga elétrica.
[009] De acordo com outra modalidade da invenção, um método está provido para controlar uma máquina ou uma carga elétrica suprida por um controlador de acionamento de velocidade variável sobre um cabo de energia CA longo, em cujo método uma tensão elétrica estimada (Vm_est) nos terminais da dita máquina ou carga elétrica é calculada e uma diferença entre a estimativa e a saída adicionada para controlar o controlador de acionamento de velocidade variável para prover uma razão de tensão elétrica e frequência substancialmente constante nos terminais da dita carga ou máquina com base na tensão elétrica estimada nos terminais o dito método também compreendendo calcular uma tensão elétrica estimada (Vm_est) e uma corrente estimada nos terminais da dita máquina ou carga elétrica e prover uma ou mais estimativas de corrente nos terminais de máquina para monitorar ou controlar o processo do controlador de acionamento de velocidade
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5/18 variável.
[0010] De acordo com uma modalidade da invenção, um método está provido para controlar uma máquina ou uma carga elétrica suprida por um controlador de acionamento de velocidade variável sobre um cabo de energia CA longo, em cujo método uma tensão elétrica estimada (Vm_est) nos terminais da dita máquina ou carga elétrica é calculada e uma diferença entre a estimativa e a saída adicionada para controlar o controlador de acionamento de velocidade variável para prover uma razão de tensão elétrica e frequência substancialmente constante nos terminais da dita carga ou máquina com base na tensão elétrica estimada nos terminais o dito método também compreendendo calcular uma ou mais estimativas de corrente nos terminais de máquina e comparar os valores de corrente estimados com limites de corrente predeterminados para o propósito de prover uma proteção térmica da máquina ou carga elétrica.
[0011] De acordo com uma modalidade da invenção, um método está provido para controlar uma máquina ou uma carga elétrica suprida por um controlador de acionamento de velocidade variável sobre um cabo de energia CA longo, em cujo método uma tensão elétrica estimada (Vm_est) nos terminais da dita máquina ou carga elétrica é calculada e uma diferença entre a estimativa e a saída adicionada para controlar o controlador de acionamento para prover uma razão de tensão elétrica e frequência substancialmente constante nos terminais da dita carga ou máquina com base na tensão elétrica estimada nos terminais o dito método também compreendendo calcular uma ou mais estimativas de corrente nos terminais de máquina e comparar os valores de corrente estimados com limites de corrente predeterminados e prover os dados dependentes da comparação para um processo de controle do dito controlador de acionamento para o propósito de prover uma proteção térmica da máquina ou carga elétrica.
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6/18 [0012] Durante o desenvolvimento para um projeto de Óleo e Gás submarino no Mar do Norte afastado da costa da Noruega o inventor desenvolveu uma solução para os problemas acima. A solução envolve estimar ou calcular uma tensão elétrica e uma corrente nos terminais de máquina (extremidade de carga) utilizando a tensão elétrica e a corrente de saída calculada e medida interna do conversor. Esta tensão elétrica estimada nos terminais de máquina é utilizada como retorno para um controlador de tensão elétrica complementar no conversor para controlar a tensão elétrica de saída de conversor de modo a obter uma razão constante de tensão elétrica / frequência nos terminais de motor. Esta solução não precisa de nenhum dado sobre a máquina e pode também ser utilizada para outras cargas elétricas, já que a carga não faz parte do cálculo.
[0013] O algoritmo ou modelo utiliza a referência de tensão elétrica interna de conversor para o modulador como uma referência para transformação dq. Os componentes dq da corrente de saída de conversor são então calculados e filtrados já que a filtragem dos componentes dq (sinais CC) não criará um deslocamento de fase.
[0014] O calculador de tensão elétrica e corrente de motor precisa ser parametrizado com os dados elétricos de quaisquer transformadores de aumento e/ou diminuição e o cabo, como será descrito em mais detalhes nas seções seguintes.
[0015] De acordo com outro aspecto da invenção uma fonte de alimentação na forma de um controlador de velocidade variável está provida a qual está disposta para prover energia elétrica de uma fonte de alimentação para uma máquina ou uma carga elétrica, cuja energia é suprida pelo dito controlador de acionamento de velocidade variável sobre um cabo de energia CA longo em que uma corrente CA é provida em uma razão de tensão elétrica e frequência substancialmente constante para a dita máquina ou carga elétrica, o dito controlador de
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7/18 acionamento de velocidade variável está disposto com um circuito estimador para estimar e/ou medir uma corrente e uma tensão elétrica (Vconv) emitidas no dito controlador de acionamento, caracterizada pelo fato de que o dito controlador de acionamento compreende um circuito de cálculo para calcular um valor estimado para a tensão elétrica nos terminais da dita máquina ou carga elétrica, e um circuito de comparação para comparar a saída de tensão elétrica (Vconv) com a tensão elétrica estimada (Vm_est) nos terminais de máquina para identificar qualquer diferença, em que o dito controlador de acionamento de velocidade variável está ainda adaptado para executar uma compensação para a diferença e controlar a saída de controlador para prover a dita razão constante de tensão elétrica e frequência nos terminais da dita máquina ou carga elétrica com base na tensão elétrica estimada (Vm_est) nos terminais.
[0016] De acordo com outro aspecto da invenção uma fonte de alimentação na forma de um controlador de velocidade variável está provida a qual está disposta para prover energia elétrica de uma fonte de alimentação para uma máquina ou uma carga elétrica, o dito controlador de acionamento de velocidade variável está disposto com um circuito estimador para modelar e/ou medir uma corrente e uma tensão elétrica (Vconv) emitidas no dito controlador de acionamento o dito controlador de acionamento compreende um circuito de cálculo para calcular um valor estimado para a tensão elétrica nos terminais da dita máquina ou carga elétrica, e um circuito de comparação para comparar a saída de tensão elétrica (Vconv) com a tensão elétrica estimada (Vm_est) nos terminais de máquina para identificar qualquer diferença, em que o dito circuito estimador para calcular uma corrente e uma tensão elétrica estimadas emitidas no dito controlador de acionamento utiliza uma referência de tensão elétrica interna de conversor para o modulador como uma referência para uma transformação dq.
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8/18 [0017] De acordo com outra modalidade da invenção, uma fonte de alimentação na forma de um controlador de velocidade variável está provida a qual está disposta para prover energia elétrica de uma fonte de alimentação para uma máquina ou uma carga elétrica, cuja energia é suprida a uma razão de tensão elétrica e frequência substancialmente constante para a dita máquina ou carga elétrica, o dito controlador de acionamento de velocidade variável está disposto com um circuito estimador para estimar e/ou medir uma corrente e uma tensão elétrica (Vconv) emitidas no dito controlador de acionamento o dito controlador de acionamento compreende um circuito de cálculo para calcular um valor estimado para a tensão elétrica nos terminais da dita máquina ou carga elétrica, e um circuito de comparação para comparar a saída de tensão elétrica (Vconv) com a tensão elétrica estimada (Vm_est) nos terminais de máquina para identificar qualquer diferença, em que um controlador de tensão elétrica complementar é provido com a diferença entre a tensão elétrica de saída (Vconv) no dito controlador de acionamento e a tensão elétrica estimada (Vm_est) nos terminais e disposto para controlar o controlador de acionamento com base em qualquer diferença assim provendo a dita razão constante de tensão elétrica e frequência nos terminais da dita máquina ou carga elétrica.
[0018] De acordo com outra modalidade da invenção, uma fonte de alimentação na forma de um controlador de velocidade variável está provida a qual está disposta para prover energia elétrica de uma fonte de alimentação para uma máquina ou uma carga elétrica em uma razão de tensão elétrica e frequência substancialmente constante para a dita máquina ou carga elétrica, o dito controlador de acionamento de velocidade variável está disposto com um circuito estimador para estimar e/ou medir uma corrente e uma tensão elétrica (Vconv) emitidas no dito controlador de acionamento, em que o dito controlador
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9/18 de acionamento compreende um circuito de cálculo para calcular um valor estimado para a tensão elétrica nos terminais da dita máquina ou carga elétrica, e um circuito de comparação para comparar a saída de tensão elétrica (Vconv) com a tensão elétrica estimada (Vm_est) nos terminais de máquina para identificar qualquer diferença, em que o dito circuito estimador ou processo para calcular uma tensão elétrica estimada (Vm_est) e uma corrente nos terminais da dita máquina ou carga elétrica está disposto para prover uma ou mais estimativas de corrente nos terminais de máquina para um controlador ou um processo de monitoramento do dito controlador de acionamento.
[0019] De acordo com outra modalidade da invenção, uma fonte de alimentação na forma de um controlador de velocidade variável está provida a qual está disposta para prover energia elétrica de uma fonte de alimentação para uma máquina ou uma carga elétrica em uma razão de tensão elétrica e frequência substancialmente constante para a dita máquina ou carga elétrica, o dito controlador de acionamento de velocidade variável está disposto com um circuito estimador para estimar e/ou medir uma corrente e uma tensão elétrica (Vconv) emitidas no dito controlador de acionamento em que o dito controlador de acionamento compreende um circuito de cálculo para calcular um valor estimado para a tensão elétrica nos terminais da dita máquina ou carga elétrica, e um circuito de comparação para comparar a saída de tensão elétrica (Vconv) com a tensão elétrica estimada (Vm_est) nos terminais de máquina para identificar qualquer diferença, em que o dito controlador de acionamento de velocidade variável compreende um circuito estimador ou processo para calcular uma ou mais estimativas de corrente nos terminais de máquina e prover as estimativas para um processo no dito controlador de acionamento para comparar um ou mais valores para a corrente com limites de corrente predeterminados para o propósito de prover proteção térmica da máquina ou carga eléPetição 870190009688, de 30/01/2019, pág. 13/34
10/18 trica.
[0020] Um programa de computador, um programa de computador armazenado em um dispositivo de armazenamento de memória, e um programa de computador gravado em um meio legível por computador, cujo programa é adequado para utilização com uma unidade de processamento que tem uma memória interna na qual o programa de computador ou o produto de programa de computador que compreende porções de código de software pode ser armazenada na mesma, está descrito em outro aspecto da invenção.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0021] Uma compreensão mais completa do método e sistema da presente invenção pode ser tida por referência à descrição detalhada seguinte quando tomada em conjunto com os desenhos acompanhantes em que:
figura 1 mostra um diagrama esquemático de um modelo de um circuito utilizado em um método para calcular a tensão elétrica nos terminais de máquina de acordo com uma modalidade da invenção;
figura 2 mostra a invenção da figura 1 e especificamente um esquema para um circuito elétrico com o qual o método da invenção é praticado de acordo com uma modalidade da invenção;
figura 3 mostra a invenção da figura 1 em um diagrama simplificado que mostra especificamente uma disposição de um circuito elétrico de acordo com uma modalidade da invenção;
figura 4 mostra a invenção da figura 1 e mais especificamente mostra um fluxograma esquemático para o método de acordo com uma modalidade da invenção.
DESCRIÇÃO DAS MODALIDADES PREFERIDAS [0022] A figura 2 mostra um diagrama esquemático dos principais componentes elétricos envolvidos na prática da invenção. Esta mostra,
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11/18 da esquerda para a direita, uma fonte de alimentação 10, um transformador de entrada 11, um conversor / inversor de energia de frequência variável ou conversor 4, e um transformador 5, o qual é um transformador de aumento. O transformador 5 está conectado a uma linha ou cabo de suprimento de energia longa 6 operada neste exemplo exemplar em uma alta tensão elétrica de 40 kV ou mais. A linha de suprimento de energia longa 6 está ainda conectada a um transformador 7, neste caso um transformador de redução, e o transformador 7 está posteriormente conectado a uma máquina 8 ou uma carga de consumo elétrico que opera neste exemplo na faixa de 4-6 kV.
[0023] Para resumir, a energia é suprida para um conversor / inversor de energia, o qual pode também ser descrito como um acionamento de velocidade variável, o qual provê energia CA aumentada em um primeiro transformador 5 na extremidade de conversor, aplicada em alta tensão elétrica sobre a linha longa 6, diminuída em um segundo transformador 7 na extremidade de máquina, e suprida para a máquina 8.
[0024] O método é praticado calculando qual será a tensão elétrica nos terminais de máquina conforme esta varia dependendo da carga da máquina 8 ou outra carga elétrica. Um modelo simplificado do circuito pode ser utilizado para calcular (estimar) a tensão elétrica na extremidade de máquina. Uma compensação é então aplicada na saída de controlador de acionamento para compensar por qualquer desvio estimado da tensão elétrica nos terminais de máquina devido à variação na carga.
[0025] A figura 1 mostra um modelo de fluxo de carga simplificador para um controlador de motor conectado sobre uma linha longa que supre energia CA para uma máquina ou carga. A figura mostra, da esquerda para a direita, uma tensão elétrica no conversor Vconv, e as características de resistência / indutância do transformador de aumen
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12/18 to 5. A segunda parte do modelo de diagrama mostra as características de capacitância / resistência / indutância do cabo longo 6. No lado direito do modelo estão mostradas as características de resistência / indutância do transformador de redução 7 e a posição da tensão elétrica estimada Vm_est na extremidade de máquina 8 do modelo. As variáveis mostradas são:
Rt1 = Resistência de transformador de aumento (por unidade)
Lt1 = Indutância de transformador de aumento (pu)
Ccc = Reatância de cabo/2 (pu)
Rcl = Reatância de cabo (pu)
Lcl = Indutância de cabo (pu)
Rt2 = Resistência de transformador de redução (pu)
Lt2 = Indutância de transformador de redução (pu) [0026] O modelo de fluxo de carga simplificado é de preferência calculado a cada 1 ms e a tensão elétrica calculada é então utilizada para criar um retorno real para compensação por meio de um controlador complementar de tensão elétrica do controlador de motor 4, também descrito como um controlador de acionamento.
[0027] Simulações, cálculos e testes executados com configurações de teste de pequena escala e escala total e instalações no local mostraram resultados promissores referentes ao desempenho do controlador complementar de tensão elétrica e do estimador de tensão elétrica. As dimensões utilizadas nos cálculos e nos testes são para um conversor de energia o qual está planejado suprir uma carga através de um cabo submarino a uma distância de aproximadamente 50 quilômetros da terra. Em um exemplo, a fonte de alimentação está destinada para um compressor submarino para uma instalação de óleo e gás. Em geral tal linha longa ou cabo pode suprir um equipamento submarino colocado sobre um leito do mar em profundidades até
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3.000 metros. As máquinas submarinas tais como uma bomba de múltiplas fases são requeridas operar continuamente por meses ou anos de cada vez. Tais bombas ou compressores tipicamente manipulam misturas de substâncias de óleo de petróleo. A densidade das misturas de substâncias de petróleo e óleo também pode mudar em um modo imprevisível, causando mudanças imprevisíveis na carga sobre a bomba ou outra máquina.
[0028] A solução aqui descrita tem a vantagem que pode não haver necessidade de um retorno de tensão elétrica medida real em um longo sistema de saída com longos cabos de saída. Esta solução pode também prevenir uma necessidade para um reator na extremidade submarina em algumas aplicações com cabos muito longos onde a estabilidade de tensão elétrica devido ao efeito Ferranti seria de outro modo considerada como um problema.
[0029] As seguintes fórmulas podem ser aplicadas no controlador de acionamento, no acionamento de velocidade variável ou no conversor 4:
Cálculos em coordenadas dq (eixo geométrico d alinhado com o vetor de tensão elétrica de conversor)
Id = componente de corrente em fase com a tensão elétrica de conversor (eixo geométrico d)
Iq = componente de corrente a 90 graus com a tensão elétrica de conversor (eixo geométrico q)
Cálculos das coordenadas dq:
Transformador de aumento 5
Tensão elétrica dq de saída de transformador de aumento: Ut1d = Ucd - Icd*Rt1+Icq*w*Lt1
Ut1q = Ucq- Icq*Rt1-Icd*w*Lt1
Corrente dq de fuga de capacitância de cabo que flui através de Ccc no cabo no lado de conversor:
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I2d = -Ut1q*w*Ccc
I2q = Ut1d*w*Ccc
Corrente dq que flui através de Lc1 e Lc1 em modelo de cabo
I3d = Icd-I2d
I3q = Icq-I2q
Transformador de redução 7:
Tensão elétrica dq de transformador de redução
Ut2d = Ut1d - I3d*Rcl+I3q*w*Lcl
Ut2q = Ut1q - I3q*Rcl-I3d*w*Lcl
Corrente dq de fuga de capacitância de cabo que flui através de Ccc no cabo no lado de carga elétrica:
I4d = -Ut2q*w*Ccc
I4q = Ut2d*w*Ccc
Corrente dq de motor ou carga elétrica
I5x = I3x-I4x
I5y = I3y-I4y
Tensão elétrica e corrente na máquina 8
Tensão elétrica dq de motor ou carga elétrica
Umd = Ut2d - I5d*Rt2+I5q*w*Lt2
Umq = Ut2q- I5q*Rt2-I5d*w*Lt2,
Vetor de tensão elétrica absoluta de motor ou carga elétrica
Um_abs = (sqrt((UmxA2)+(UmyA2)))*sqrt(3)
Vetor de corrente absoluta de motor ou carga elétrica
Im_abs = sqrt((I5xA2)+(I5yA2)) onde
Ucd = (componente de eixo geométrico d da tensão elétrica de conversor por unidade)
Icd = (componente de eixo geométrico d da corrente de conversor por unidade)
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Icq = (componente de eixo geométrico q da corrente de conversor por unidade) w = (frequência elétrica de saída real por unidade) [0030] A figura 3 mostra um esquema simples de uma instalação para uma linha de energia entre uma fonte de alimentação em terra 20 e uma máquina 8 a muitos quilômetros para dentro do mar 21. Neste exemplo, a máquina 8 ou carga está instalada sobre o leito do mar 22, mas a máquina ou carga poderia igualmente também ou ao invés está instalada sob a água em algum outro modo, ou instalada sobre uma plataforma ou navio fixa ou flutuante de algum tipo. O transformador de aumento 5 está indicado como se este estivesse dentro do mesmo envoltório que o acionamento de velocidade variável 4, e o transformador de redução 7 está indicado como estando dentro do mesmo envoltório sob a água que a máquina 8 ou carta; no entanto, qualquer um dos transformadores pode estar disposto como unidades independentes ou dentro de outro envoltório.
[0031] A figura 4 é um fluxograma para um método de acordo com uma modalidade. O fluxograma mostra um método que em que
41. Uma estimativa e/ou medição de tensão elétrica de saída Vconv é feita no controlador de acionamento ou conversor 4
43. Uma estimativa é feita da tensão elétrica Vm_est nos terminais da máquina 8 ou outra carga elétrica
45. Os valores da tensão elétrica de saída de conversor no conversor Vconv e a tensão elétrica estimada nos terminais de motor Vm_est são comparadas e qualquer diferença encontrada
47. A diferença entre a tensão elétrica de saída de conversor no conversor Vconv e a tensão elétrica estimada nos terminais de motor Vm_est é adicionada à saída de tensão elétrica de conversor, por exemplo, por meio de um controlador complementar, para compensar pela diferença de tensão elétrica estimada.
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16/18 [0032] O exemplo descrito faz referência a uma fonte de alimentação sobre uma linha longa para uma instalação no mar. No entanto, a invenção pode também ser aplicada em terra, por exemplo, com um oleoduto de óleo ou gás em uma máquina ou uma carga elétrica disposta a ser alimentada por um cabo CA suficientemente longo que uma variação em frequência / carga ocorrerá nos terminais de máquina / carga. Assim, os motores de compressor em oleodutos podem se beneficiar da prática de uma modalidade da invenção.
[0033] Os dados derivados e medidos incluindo as características elétricas tais como resistência, indutância, capacitância de certos componentes, e especificamente para os transformadores 5, 7 e o cabo 6 podem ser armazenados em um banco de dados ou lista. O banco de dados pode ser armazenado em uma unidade de armazenamento de memória não volátil de uma unidade de controle disposta dentro do ou com o controlador de acionamento. O banco de dados pode ser disposto como um firmware. Em outra modalidade preferida da invenção, a solução envolve estimar (calcular) tanto a tensão elétrica quanto a corrente nos terminais de máquina (extremidade de carga elétrica) utilizando uma tensão elétrica e corrente de saída calculada e medida interna de conversor. A corrente calculada é utilizada como um retorno para a função de limite de corrente no conversor 4 para impedir uma sobrecarga térmica da máquina 8. Isto é vantajoso porque em uma aplicação de saída muito longa, o valor de rms (valor médio quadrático) de corrente de saída de conversor pode variar por uma pequena quantidade durante uma variação de sem carga para carga total, e assim um limite de corrente normal da corrente de conversor não proveria uma proteção térmica da máquina para sobrecarga de corrente. Em uma saída de conversor de operação de saída muito longa a saída de corrente pode diferir da corrente suprida na extremidade de carga. Nesta modalidade a corrente de motor calculada foi utilizada como en
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17/18 trada para um limitador de corrente no controlador de motor (controlador de acionamento) em testes e simulações. Em uma modalidade preferida o conversor inversor pode ser do tipo ACS 5000 suprido pela ABB.
[0034] Os métodos para estimar uma tensão elétrica (e/ou uma tensão elétrica e uma corrente) nos terminais de máquina como acima descrito e em outro lugar nesta especificação podem ser executados por uma aplicação de computador que compreende elementos de programa de computador ou um código de software o qual, quando carregado em um processador ou computador, faz com que o computador ou processador execute as etapas de método. As funções do circuito estimador podem ser executadas processando funções digitais, algoritmos e/ou programas de computador e/ou por componentes analógicos ou circuitos analógicos ou por uma combinação de funções tanto digitais quanto analógicas. Um circuito estimador pode ser compreendido como um hardware ou um hardware configurável tal como uma Rede de Portas Programáveis no Campo (FPGA) ou como outro tipo de processadores tal como um Dispositivo Lógico Programável Complexo (CPLD) ou um tipo de Circuito Integrado de Aplicação Específica (ASIC).
[0035] Os métodos da invenção tal como aquelas etapas de método mostradas na figura 4 podem, como anteriormente descrito, ser executados por meio de um ou mais programas de computador que compreendem um código de programa de computador ou porções de software que executam em um computador ou um processador. Tal processador pode estar disposto com uma unidade de armazenamento de memória de uma unidade de controle de sistema de processo ou uma unidade de controle de motor, ou um controlador de tensão elétrica complementar ou outra sua parte de sistema de controle de motor. Uma parte do programa ou software que executa is métodos pode es
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18/18 tar armazenada em um processador como acima, mas também em um chip de ROM, RAM, PROM, EPROM ou EEPROM ou um meio de memória similar. O programa em parte ou no todo pode também ser armazenado sobre, ou dentro de, outro meio legível por computador adequado tal como um disco magnético, um meio de armazenamento de memória magneto-ótico, em memória volátil, em memória instantânea, como firmware, armazenado em um servidor de dados ou em uma ou mais redes de servidores de dados ou mesmo em uma mídia de memória removível tal como memórias instantâneas, discos rígidos, etc. Os dados podem ser acessados por meio de qualquer um de: OPC, servidores de OPC, um Intermediário de Solicitação de Objeto tal como COM, DCOM ou CORBA, um serviço da Web.
[0036] Detalhes são fornecidos nesta especificação para um exemplo baseado em um controlador de acionamento e especificamente um conversor de energia, mas a invenção não está limitada a este tipo de dispositivo de fonte de alimentação controlado e pode ser praticada utilizando outras tecnologias tais como PWM (modulação de largura de pulso), PAM (modulação de amplitude de pulso) ou conversor controlado por tiristor utilizando um tipo de controle em cascata.
[0037] Deve ser notado que apesar do acima descrever modalidades exemplificantes da invenção, existem diversas variações e modificações de controle de uma máquina ou uma carga elétrica suprida com energia CA sobre uma linha longa as quais podem ser feitas na solução descrita sem afastar do escopo da presente invenção como definido nas concretizações anexas.

Claims (15)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Método para controlar uma máquina (8) ou uma carga elétrica suprida por um controlador de acionamento (4) sobre um cabo de energia CA longo (6), em cujo método o dito controlador de acionamento (4) é operado para prover uma corrente CA para a dita carga ou máquina (8) a uma razão de tensão elétrica e frequência substancialmente constante obtendo uma estimativa ou uma medição de uma saída de corrente e tensão elétrica (Vconv) no dito controlador de acionamento (4), caracterizado por calcular uma tensão elétrica estimada (Vm_est) nos terminais da dita máquina (8) ou carga elétrica utilizando um modelo de fluxo de carga simplificado do controlador de acionamento (4), um transformador de aumento (5), o cabo de energia CA longo (6), um transformador de redução (7) e a máquina (8), a tensão elétrica estimada (Vm_est) sendo determinada utilizando coordenadas dq como um vetor de tensão elétrica absoluta de motor ou carga elétrica
    Um_abs = (sqrt((UmxA2)+(UmyA2)))*sqrt(3) onde a tensão elétrica dq de motor ou carga elétrica é definida por
    Umd = Ut2d - I5d*Rt2+I5q*w*Lt2
    Umq = Ut2q- I5q*Rt2-I5d*w*Lt2, onde
    Ut2d = Ut1d - I3d*Rc1+I3q*w*Lc1
    Ut2q = Ut1q - I3q*Rc1-I3d*w*Lc1 são as tensões elétricas dq de transformador de redução (7),
    I5x = I3x-I4x
    I5y = I3y-I4y são as correntes dq de motor ou carga elétrica, Rt2 é a resistência do transformador de redução (7), Lt2 é a indutância do transformador de redução (7), w é a frequência elétrica de saída real por unidade, Rc1 é a indutância de cabo do cabo de energia CA longo (6), Lc1 é a induPetição 870190009688, de 30/01/2019, pág. 23/34
  2. 2/7 tância de cabo do cabo de energia CA longo (6),
    Ut1d = Ucd - Icd*Rt1+Icq*w*Lt1
    Ut1q = Ucq- Icq*Rt1-Icd*w*Lt1 são a tensão elétrica dq de saída de transformador de aumento (5),
    I2d = -Ut1q*w*Ccc
    I2q = Ut1d*w*Ccc são as correntes dq de fuga de capacitância de cabo que fluem através de Ccc, a reatância de cabo do cabo de energia CA longo no lado de conversor,
    I3d = Icd-I2d
    I3q = Icq-I2q são as correntes dq que fluem através da indutância de cabo Lc1,
    I4d = -Ut2q*w*Ccc
    I4q = Ut2d*w*Ccc são as correntes dq de fuga de capacitância de cabo que fluem através da reatância de cabo Ccc no lado de carga elétrica, e Ucd é o componente de eixo geométrico d da tensão elétrica de conversor por unidade, Icd é o componente de eixo geométrico d da corrente de conversor por unidade, e Icq é o componente de eixo geométrico q da corrente de conversor por unidade;
    e adicionar uma diferença entre a estimativa e a saída para controlar o controlador de acionamento (4) para prover a dita razão constante de tensão elétrica e frequência nos terminais da dita carga ou máquina (8) com base na tensão elétrica estimada (Vm_est) nos terminais.
    2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por calcular a corrente e a tensão elétrica de saída estimadas do dito controlador de acionamento (4) com base em uma referência de tensão elétrica interna de conversor para o modulador como uma referência para uma transformação dq.
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  3. 3/7
    3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por prover a diferença entre a estimativa de tensão elétrica (Vm_est) e a saída de tensão elétrica (Vconv) para um controlador de tensão elétrica complementar disposto para controlar o controlador de acionamento (4) e compensar pela diferença, assim provendo a dita razão constante de tensão elétrica e frequência nos terminais da dita máquina (8) ou carga elétrica.
  4. 4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por calcular uma tensão elétrica estimada (Vm_est) e uma corrente estimada nos terminais da dita máquina (8) ou carga elétrica e prover uma ou mais estimativas de corrente nos terminais de máquina (8) para um processo de monitoramento ou controle do controlador de acionamento (4).
  5. 5. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 4, caracterizado por calcular uma ou mais estimativas de corrente nos terminais de máquina (8) e comparar os valores de corrente estimados com limites de corrente predeterminados para o propósito de prover proteção térmica da máquina (8) ou carga elétrica.
  6. 6. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 4, caracterizado por calcular uma ou mais estimativas de corrente nos terminais de máquina (8) e comparar os valores de corrente estimados com limites de corrente predeterminados e prover os dados dependentes da comparação para um processo de controle do dito controlador de acionamento (4) para o propósito de prover uma proteção térmica da máquina (8) ou carga elétrica.
  7. 7. Controlador de acionamento (4) disposto para prover energia elétrica de uma fonte de alimentação (10) para uma máquina (8) ou uma carga elétrica, energia esta que é suprida pelo dito controlador de acionamento (4) através de um cabo de energia CA longo sendo que uma corrente CA é provida em uma razão de tensão elétri
    Petição 870190009688, de 30/01/2019, pág. 25/34
    4/7 ca e frequência substancialmente constante para a dita máquina (8) ou carga elétrica, o dito controlador de acionamento (4) está disposto com um circuito estimador para estimar e/ou medir uma corrente e uma tensão elétrica (Vconv) emitidas no dito controlador de acionamento (4), caracterizado pelo fato de que o dito controlador de acionamento (4) compreende um circuito de cálculo para calcular um valor estimado para a tensão elétrica nos terminais da dita máquina (8) ou carga elétrica utilizando um modelo de fluxo de carga simplificado do controlador de acionamento (4), um transformador de aumento (5), o cabo de energia CA longo (6), um transformador de redução (7) e a máquina (8), a tensão elétrica estimada (Vm_est) sendo determinada utilizando coordenadas dq como um vetor de tensão elétrica absoluta de motor ou carga elétrica
    Um_abs = (sqrt((UmxA2)+(UmyA2)))*sqrt(3) onde a tensão elétrica dq de motor ou carga elétrica é definida por Umd = Ut2d - I5d*Rt2+I5q*w*Lt2 Umq = Ut2q- I5q*Rt2-I5d*w*Lt2, onde
    Ut2d = Ut1d - I3d*Rcl+I3q*w*Lcl
    Ut2q = Ut1q - I3q*Rcl-I3d*w*Lcl são as tensões elétricas dq de transformador de redução (7),
    I5x = I3x-I4x
    I5y = I3y-I4y são as correntes dq de motor ou carga elétrica, Rt2 é a resistência do transformador de redução (7), Lt2 é a indutância do transformador de redução (7), w é a frequência elétrica de saída real por unidade, Rc1 é a indutância de cabo do cabo de energia CA longo (6), Lc1 é a indutância de cabo do cabo de energia CA longo (6),
    Ut1d = Ucd - Icd*Rt1+Icq*w*Lt1
    Ut1q = Ucq- Icq*Rt1-Icd*w*Lt1
    Petição 870190009688, de 30/01/2019, pág. 26/34
    5/7 são a tensão elétrica dq de saída de transformador de aumento (5),
    I2d = -Ut1q*w*Ccc
    I2q = Ut1d*w*Ccc são as correntes dq de fuga de capacitância de cabo que fluem através de Ccc, a reatância de cabo do cabo de energia CA longo no lado de conversor,
    I3d = Icd-I2d
    I3q = Icq-I2q são as correntes dq que fluem através da indutância de cabo Lc1,
    I4d = -Ut2q*w*Ccc
    I4q = Ut2d*w*Ccc são as correntes dq de fuga de capacitância de cabo que fluem através da reatância de cabo Ccc no lado de carga elétrica, e Ucd é o componente de eixo geométrico d da tensão elétrica de conversor por unidade, Icd é o componente de eixo geométrico d da corrente de conversor por unidade, e Icq é o componente de eixo geométrico q da corrente de conversor por unidade;
    e um circuito de comparação para comparar a saída de tensão elétrica (Vconv) com a tensão elétrica estimada (Vm_est) nos terminais de máquina (8) para identificar qualquer diferença, sendo que o dito controlador de acionamento (4) está ainda adaptado para executar uma compensação para a diferença e controlar a saída de controlador para prover a dita razão constante de tensão elétrica e frequência nos terminais da dita máquina (8) ou carga elétrica com base na tensão elétrica estimada (Vm_est) nos terminais.
  8. 8. Controlador de acionamento (4) de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o dito circuito estimador para calcular uma corrente e uma tensão elétrica de saída estimadas emitidas no dito controlador de acionamento (4) utiliza uma referência de tensão elétrica interna de conversor para o modulador como referência
    Petição 870190009688, de 30/01/2019, pág. 27/34
    6/7 para uma transformação dq.
  9. 9. Controlador de acionamento (4) de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por um controlador de tensão elétrica complementar provido com a diferença entre a tensão elétrica de saída (Vconv) no dito controlador de acionamento (4) e a tensão elétrica estimada (Vm_est) nos terminais e disposto para controlar o controlador de acionamento (4) com base na diferença, assim provendo a dita razão constante de tensão elétrica e frequência nos terminais da dita máquina (8) ou carga elétrica.
  10. 10. Controlador de acionamento (4) de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o dito circuito estimador ou processo para calcular uma tensão elétrica estimada (Vm_est) e uma corrente nos terminais da dita máquina (8) ou carga elétrica está disposto para prover uma ou mais estimativas de corrente nos terminais de máquina (8) para um controlador ou um processo de monitoramento do dito controlador de acionamento (4).
  11. 11. Controlador de acionamento (4) de acordo com a reivindicação 7 ou 9, caracterizado por um circuito estimador ou processo para calcular uma ou mais estimativas de corrente nos terminais de máquina (8) e prover as estimativas para um processo no dito controlador de acionamento (4) para comparar um ou mais valores para a corrente com limites de corrente predeterminados para o propósito de prover uma proteção térmica da máquina (8) ou carga elétrica.
  12. 12. Controlador de acionamento (4) de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por um circuito estimador que compreende um software ou código de programa de computador para executar a função de estimar a corrente e a tensão elétrica nos terminais da máquina (8) ou carga elétrica suprida pelo dito controlador de acionamento (4).
  13. 13. Controlador de acionamento (4) de acordo com a rei
    Petição 870190009688, de 30/01/2019, pág. 28/34
    7/7 vindicação 7, caracterizado por um dispositivo de armazenamento de memória não volátil no qual estão armazenados os dados derivados e medidos que incluem as características elétricas de qualquer componente conectado no controlador de acionamento (4) incluindo os dados de qualquer um dos transformadores (5, 7) e/ou cabo (6).
  14. 14. Controlador de acionamento (4) de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por um dispositivo de armazenamento de memória que compreende porções de código de software ou de código de computador para fazer com que um computador ou processador execute as etapas de um método, como definido na reivindicação 1.
  15. 15. Uso de um controlador de acionamento (4), como definido na reivindicação 10, caracterizado por ser disposto para prover energia elétrica de uma fonte de alimentação (10) para uma máquina (8) ou uma carga elétrica, cuja energia é suprida pelo dito controlador de acionamento (4) através de um cabo de energia CA longo (6), e sendo que o dito controlador de acionamento (4) é operado para prover uma corrente CA em uma razão constante de tensão elétrica e frequência para a dita máquina (8) ou carga para controlar e suprir uma máquina (8) ou uma carga elétrica em uma instalação para produção, transmissão, distribuição ou processamento de óleo e/ou gás.
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