BR112014010749B1

BR112014010749B1 - Método para operar uma máquina síncrona por meio de um controladorde potência trifásica e conjunto para operar uma máquina síncrona

Info

Publication number: BR112014010749B1
Application number: BR112014010749-1A
Authority: BR
Inventors: Marcel Benecke
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2012-10-29
Publication date: 2021-02-23
Also published as: US20140312826A1; CN103907281A; BR112014010749A2; EP2761737B1; WO2013068257A2; WO2013068257A3; EP2761737A2; CN103907281B; IN2014KN00824A; DE102011085859A1; US9379646B2

Abstract

"MÉTODO E CONJUNTO PARA A OPERAÇÃO DE MOTORES SÍNCRONOS". A presente invenção refere-se a um método para a operação de uma máquina síncrona (1) por meio de um controlador de potência trifásico (4), compreendendo três controladores de semicondutor (6, 7, 8) e é conectado a uma rede trifásica, compreendendo as etapas a seguir: determinar a diferença de fase entre uma tensão de roda magnética da máquina síncrona (1) e uma tensão de rede da rede trifásica; determinar a velocidade rotacional do rotor da máquina síncrona; determinar a posição de fase da rede trifásica; determinar pelo menos algumas das correntes do estator da máquina síncrona (1); determinar um número característico de decisão com base no cálculo avançado da curva de torque no caso da ativação de pelo menos dois dos controladores de semicondutor (6, 7, 8) enquanto leva em consideração os valores para a diferença de fase, a velocidade rotacional, a corrente do estator, e a posição de fase; e determinar pelo menos um ponto de tempo de comutação com base no número característico de decisão, no qual os pelo menos dois dos controladores de semicondutor (6, 7, 8) são ativados no ponto de tempo de comutação.

Description

DESCRIÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a um método para a opera ção de motores síncronos e a um conjunto associado para a operação de motores síncronos por meio de um controlador de energia trifásico que está conectado a uma rede trifásica e é composto por controladores de semicondutor, por exemplo, tiristores conectados em antiparale- lo. Isto, em particular, lida com o arranque do motor síncrono.

[002] Motores síncronos trifásicos que não têm uma gaiola de partida são atados com a frequência da rede de alimentação trifásica por causa de seu princípio de operação. Um arranque, em outras palavras, energizando tais motores, por essa razão, não é possível diretamente na rede. Em vez disso, um dispositivo que permita ligar em primeiro lugar é necessário entre a rede trifásica e a máquina síncrona. Para este fim, um conversor de frequência é normalmente utilizado. O conversor de frequência consiste em um retificador, um capacitor do circuito intermediário e um inversor. Ele é utilizado para gerar uma corrente trifásica que tenha uma frequência selecionável.

[003] O objeto da invenção é a especificação de um método e de um conjunto por meio da qual a operação de uma máquina síncrona em uma rede trifásica é habilitada com requisitos mínimos em termos de componentes eletrônicos de potência. Nesta situação, o arranque da máquina síncrona, em particular, deve ser habilitado.

[004] No que se refere ao método de acordo com a invenção pa ra a operação de uma máquina síncrona por meio de um controlador de energia trifásica sendo composto por três controladores de semicondutor, que são conectados a uma rede trifásica, as seguintes eta- pas são executadas:

[005] É executada uma determinação de um primeiro parâmetro na forma de uma diferença de fase entre a tensão de uma roda magnética da máquina síncrona e a tensão de rede da rede trifásica. Isto pode ser efetuado, por exemplo, por meio da medição da tensão da rede trifásica e da tensão de uma roda magnética e a comparação correspondente. Além disso, é executada uma determinação da velocidade de rotação do rotor da máquina síncrona como um segundo parâmetro. A posição de fase da rede trifásica é determinada como um ter-ceiro parâmetro. Em outras palavras, isto envolve a averiguação de até que ponto o ponto atual no tempo é removido do mais recente cruzamento zero de uma dentre as tensões de fase. Pelo menos algumas das correntes do estator, de preferência, todas as três correntes do estator, são determinadas como um quarto parâmetro. Os parâmetros declarados podem ser substituídos por outros, parâmetros fisicamente equivalentes nesta situação.

[006] Com base nos quatro parâmetros, um cálculo avançado da curva de torque é executado para a máquina síncrona para um definível período de tempo no caso da ativação de pelo menos dois dos controladores de semicondutor, enquanto leva em conta os valores determinados para a diferença de fase, a velocidade de rotação, a corrente do estator e a posição da fase. Com base no cálculo avançado um ponto de tempo de comutação é determinado no qual, pelo menos, os dois controladores de semicondutor são ativados. Para este efeito, o número característico de decisão vantajosamente é comparado com um valor limite definido para determinar um ponto de tempo de comutação. Quando os tiristores são empregados no controlador de potência, este período de tempo, de preferência, resulta da extinção automática de todos os tiristores no respectivo cruzamento zero da corrente.

[007] Isso significa que a situação é vantajosamente alcançada quando a ligação dos controladores do semicondutor é executada somente em tais momentos de ponto de comutação no qual se espera uma curva de torque total positiva, em outras palavras um torque de aceleração total. O torque de frenagem é evitado. Nesta situação, de qualquer maneira, o uso de um conversor de frequência não é necessário, mas apenas o controlador do potência é empregado.

[008] Nesta situação, de acordo com uma incorporação vantajosa da invenção o cálculo avançado é utilizado como base para determinar se o momento no tempo presente é empregado como um ponto de tempo de comutação. Em outras palavras, com base em parâmetros determinados uma decisão é sempre tomada para o ponto atual no tempo, em outras palavras agora, como quando os controladores de semicondutor são ativados. O método é então oportunamente executado regularmente em tão curtos intervalos de tempo quanto possível, por exemplo, em intervalos de 1 ms.

[009] Em uma incorporação da invenção, a ocorrência de uma corrente máxima que é resultado da ativação dos controladores de potência é levada em consideração. Em alternativa ou por adição, é possível levar em consideração um torque médio ao longo do tempo de ativação.

[0010] Em um desenvolvimento vantajoso da invenção, as curvas de torque para a ativação de todos os controladores de semicondutor e, também, para a ativação de três pares, cada um dos quais, compos- tso por dois controladores de semicondutor, são calculados com antecedência. Também é possível levar em consideração apenas algumas das quatro opções diferentes. O cálculo avançado é executado para todas as referidas curvas de torque. Os resultados, em seguida, são comparados uns com os outros e, por exemplo, com um valor de limiar e é tomada uma decisão sobre se um ponto de tempo de comutação está presente ou não, e neste caso é tomada uma decisão a respeito de quais dos controladores de semicondutor são ativados.

[0011] As opções para a ativação dos controladores do semicon dutor são consideravelmente expandidas dessa maneira porque a operação de apenas dois dos controladores de semicondutor simultaneamente também é levada em consideração. Ao mesmo tempo, é também possível quando dois dos controladores de semicondutor já tenham sido ativados e a corrente está fluindo para constantemente verificar se a conexão adicional do terceiro controlador de semicondutor melhoraria a curva de torque a ser esperada.

[0012] O conjunto de acordo com a invenção para a operação de uma máquina síncrona é projetado de acordo com a execução do método descrito. É composto por um controlador de energia trifásica, que pode ser conectado a uma rede trifásica e compreende três controladores de semicondutor para as fases da rede trifásica. O conjunto inclui além disso: - um dispositivo para determinar a diferença de fase entre uma tensão da roda magnética da máquina síncrona e uma tensão de rede da rede trifásica, - um dispositivo para a determinação da velocidade de rotação do rotor da máquina síncrona, - um dispositivo para a determinação da posição de fase da rede trifásica, - um dispositivo para a determinação de pelo menos algumas das correntes do estator, - uma instalação de controle projetada para calcular antecipadamente a partir de valores determinados uma curva de torque da máquina síncrona para um período de tempo definível na ativação de pelo menos alguns dos controladores de semicondutor e, com base no cálculo avançado, para a determinação de um ponto de tempo de co- mutação no qual os controladores de semicondutor são ativados.

[0013] O controlador de potência é composto por, pelo menos, três controladores de semicondutor tendo elementos de comutação de semicondutor. Os elementos de comutação de semicondutor em questão podem, por exemplo, ser controladores de potência CA. Os controladores de potência CA podem, por exemplo, ser implementados como pares de tiristores conectados em antiparalelo ou como triacs. IGBTs ou outros tipos de interruptores de semicondutor, de qualquer maneira, também podem ser usados. O controlador de potência está conectado a uma rede trifásica. O enrolamento do estator do motor síncrono está nesta situação, de preferência, ligado em forma de estrela sem um condutor neutro. Os controladores de potência CA são ativados ou disparados, em outras palavras, comutados para conduzir ou preparados para a condução, em determinados pontos no tempo.

[0014] O dispositivo, em questão, para a determinação da veloci dade de rotação do rotor da máquina síncrona pode, por exemplo, ser um dispositivo para determinar o ângulo de posição mecânica do rotor. O ângulo de posição mecânica oportunamente especifica a posição do rotor em relação a uma posição espacialmente fixa definível. O ângulo de posição, neste caso, se estende oportunamente de 0° a 360°. A velocidade de rotação é concluída a partir da mudança ao longo do tempo no ângulo de posição.

[0015] A posição de fase da rede trifásica em pelo menos uma das fases do enrolamento do estator, além disso, é verificada. Também é possível usar diferentes métodos de medição, neste caso. Para o método descrito e o dispositivo, é necessário determinar o tempo decorrido desde o mais recente cruzamento zero da tensão de uma fase. O referido tempo decorrido pode ser representado, verificado e utilizado como um ângulo ou como tempo ou de uma forma diferente.

[0016] O método descrito é implementado, em particular, por meio de software. Tendo como referência o dispositivo descrito, este tem, em especial, uma unidade de controle que é projetada para executar o procedimento descrito. Ela pode ser implementado, por essa razão, simplesmente nos controladores de energia existentes, sem qualquer exigência adicional em termos de componentes. A aquisição da velocidade do rotor é necessária neste caso. É vantajoso se uma unidade de controle, que é oportunamente implementada hoje como um microprocessador fornecido na máquina síncrona, assuma o controle do controlador de potência. Neste caso, os dados de, por exemplo, um codificador de posição integrada na máquina síncrona já estejam automaticamente disponíveis. Além disso, uma tal máquina síncrona já pode incluir o controlador de potência, em outras palavras, ser imple-mentada como uma unidade completa, que, portanto, pode ser conectada diretamente a uma rede trifásica.

[0017] A preferida mas não de qualquer maneira restritiva incorpo ração exemplar da invenção agora será descrita em detalhes, tendo como referência o desenho. Nesta situação, as características são ilustradas esquematicamente e características correspondentes são identificadas pelos mesmos caracteres de referência. As Figuras mostram isso em detalhes:

[0018] a Figura 1 mostra um diagrama de circuito equivalente de um controlador de potência com uma máquina síncrona conectada,

[0019] a Figura 2 mostra um gráfico para as correntes do estator após a ligação dos controladores de semicondutor,

[0020] a Figura 3 mostra um fluxograma para um método de ope ração da máquina síncrona.

[0021] Na Figura 1, uma máquina síncrona atual trifásica 1 é co nectada por meio de um controlador de potência trifásico 4 para as fases A, B, C de uma rede trifásica. Cada uma das fases A, B, C é atribuída a um controlador de semicondutor 6, 7, 8, consistindo de dois tiristores A1, A2, B1, B2, C1, C2 conectados em antiparalelo. O gatilho de eletrodos dos tiristores A1, A2, B1, B2, C1, C2 são ligados a um dispositivo de controle 3 por meio do qual os sinais de gatilho necessários para acionar os tiristores A1, A2, B1, B2, C1, C2 são disponibilizados. O dispositivo de controle 3 é implementado por meio de um mi- crocontrolador. Um dispositivo de medição de tensão 5 é ligado entre duas fases A, B, C, da rede, por exemplo, entre os terminais A e B da rede na Figura 1, na saída de cujo dispositivo de medição de tensão 5 a tensão da rede UAB que ocorre entre os referidos dois terminais A e B está disponível. Outros dispositivos de medição de tensão, não mostrados, também pode estar presentes para os outros dois pares de fase.

[0022] Em uma variante de incorporação o dispositivo de controle 3 e o controlador de potência 4 são uma unidade separada da máquina síncrona atual trifásica 1, em outras palavras, implementada como um dispositivo de controle de motor separado. Em uma segunda variante de incorporação o dispositivo de controle 3 e o controlador de potência 4 fazem parte da máquina síncrona atual trifásica 1. Neste caso, as funções do dispositivo de comando 3 são oportunamente integradas em um microprocessador já presente na máquina síncrona atual trifásica 1. Na incorporação presente exemplar o dispositivo de controle 3 é utilizado para o processamento de um programa adequado, por meio do qual a operação do dispositivo pode ocorrer por meio de software.

[0023] Com o objetivo de acelerar a máquina síncrona a partir de uma paralisação um torque de aceleração é necessário. Para este fim é necessário fornecer ao enrolamento do estator uma corrente de tal forma que o torque positivo (torque interno) seja produzido com ambos os efeitos de uma aceleração da máquina e também da compensação do contra torque da carga. De acordo com a equação 1 o torque inter no também é dependente da posição do rotor além das correntes.

[0024] onde mi é o torque interno, p número par do pólo, in as cor rentes do estator 21, 22, 23 e S a posição do rotor.

[0025] Com o objetivo de gerar em um certo ponto no tempo atra vés da ignição das correntes do estator dos tiristores 21, 22, 23, que entregam uma curva de torque favorável, as correntes do estator 21, 22, 23 e o torque são calculados para determinadas constelações de parâmetro. Os parâmetros utilizados são a velocidade de rotação, a posição da fase da tensão da rede e da tensão induzida pelo rotor, e também as correntes do estator 21, 22, 23 existentes. Nesta situação, uma sequência de processo, conforme ilustrado na Figura 3 é executada. A Figura 2 mostra exemplos associados das curvas das correntes de estator 21, 22, 23, no qual do primeiro ao oitavo pontos no tempo 251... 258 são marcados.

[0026] Em uma primeira etapa 31, os parâmetros de velocidade de rotação acima mencionados, a posição de fase de tensão da rede e da tensão induzida pelo rotor, e também as correntes do estator 21, 22, 23, existentes são medidos.

[0027] Um segundo passo 32 determina se os tiristores A1, A2, B1, B2, C1, C2 nos controladores de semicondutor 6, 7, 8, têm sido todos acionados, por meio da observação do fluxo de corrente medido. Se todas as correntes do estator são ainda não-zero, a sequência retorna para a etapa 31. Nas curvas de tensão que são ilustradas na Figura 2, este é o caso, por exemplo, entre o terceiro ponto no tempo 253 e o quarto ponto no tempo 254. Um acionamento adicional não pode ter lugar aqui e não é possível desligar os tiristores A1, A2, B1, B2, C1, C2, por causa de seu princípio de operação. A unidade de controle, por essa razão, não pode intervir aqui. No período de tempo entre os sétimo e oitavo pontos no tempo 257, 258, a sequência da mesma forma retorna à primeira etapa 31.

[0028] Caso contrário, desde que todos os controladores de semi condutor 6, 7, 8, tenham sido ativados, a curva de torque resultante é calculada a partir dos parâmetros medidos. Desde que os tiristores A1, A2, B1, B2, C1, C2 sejam utilizados nos controladores de semicondutor 6, 7, 8, deste exemplo, devido a extinção automática dos tiristores A1, A2, B1, B2, C1, C2, um cálculo finito de período de tempo resulta para o cálculo até que todas as correntes e o torque sejam zero. Se o ponto no tempo atual está, por exemplo, no intervalo, não todo para além do terceiro ponto no tempo 253, então, automaticamente resulta em um cálculo de período de tempo até o quinto ponto no tempo 255.

[0029] Por considerar o torque médio, um número característico de decisão é estabelecido a partir da curva de torque para todo o cálculo do período de tempo. Especificamente no presente exemplo isto verifica se o torque médio resultante é maior do que zero, em outras palavras se, em média, uma aceleração é de se esperar. Além disso, para este fim é feita uma verificação sobre se um valor de limiar negativo para o torque não é satisfeito na curva de torque.

[0030] Uma terceira etapa 33 determina se os tiristores A1, A2, B1, B2, C1, C2 ainda estão acionados, mais uma vez por meio da consideração do fluxo de corrente medido. Se nenhum tiristor é acionado no momento presente, então a curva de torque resultante é calculada a partir dos parâmetros, mas agora fornecidos para que apenas dois dos três controladores de semicondutor 6, 7, 8, sejam ativados em cada caso. Isso resulta em três curvas de torque diferentes, para que em cada caso um número característico de decisão seja determinado de maneira semelhante à segunda etapa 32. Um exemplo de um tal acionamento dos tiristores A1, A2, B1, B2, C1, C2 é dado no intervalo entre os primeiro e segundo pontos no tempo 251, 252, e também entre os sexto e sétimo pontos no tempo 256, 257.

[0031] Na quarta etapa 34, uma comparação dos números carac terísticos de decisão uns com os outros e com um valor de limiar é realizada, e uma decisão, deste modo, é tomada como para se um acionamento é executado e em caso afirmativo, qual combinação de controladores de semicondutor 6, 7, 8, é ativada. Se uma combinação de controladores de semicondutor 6, 7, 8, o acionamento do qual resulta em uma curva de torque utilizável, é apurado como tendo sido ativado, em seguida, é realizado o controle correspondente dos tiristo- res A1, A2, B1, B2, C1, C2. Então a sequência retorna à primeira etapa 31.

[0032] No presente exemplo o cálculo é executado em intervalos de tempo de aproximadamente 1 ms. Como um resultado da constante repetição de cálculo tendo também lugar durante o processo de fluxo de corrente que resulta depois de um acionamento de dois dos três controladores de semicondutor 6, 7, 8, uma subsequente ativação do terceiro dos controladores do semicondutor 6, 7, 8, pode também ocorrer se este fornece a expectativa de uma curva de torque melhorada em comparação com o restante dos dois controladores de semicondutor 6, 7, 8, acionados. Este é o caso, por exemplo, no sétimo ponto no tempo 257. Neste ponto no tempo o dispositivo de controle 3 constata que uma ativação adicional do controlador de semicondutor 6, 7, 8, remanescente é vantajosa para a aceleração da máquina síncrona 1. A ativação adicional, em seguida, é executada e um fluxo de corrente trifásica resulta para o tempo restante até o oitavo ponto no tempo 258.

[0033] Quando é atingida a velocidade de rotação nominal da má quina síncrona 1, então, uma transferência para a operação de rede sincronizada é conveniente. Para este efeito, no presente exemplo um valor de referência adicional mref é calculado, o que é levado em con- sideração no que diz respeito ao controle dos controladores de semicondutor 6... 8. Nesta situação o valor mref é a soma das partes de valores mspeed e mpre. O mspeed por sua vez é calculado a partir da diferença relativa Δn da velocidade de rotação atual nist a partir da velocidade de rotação nominal nsynch e também constantes de máquina. Além disso, o mspeed é submetido a filtragem em relação a valores máximos e mínimos.

[0034] mpre é calculado da seguinte forma:

)

[0035]O mpre também é calculado, ainda, com a utilização de constantes de máquina e, mais uma vez, contém a diferença relativa Δn da velocidade de rotação atual nist a partir da velocidade de rotação nominal nsynch. A soma mref é avaliada no dispositivo de controle 3 como o limite superior para o torque a ser gerado. Se o valor mref, por exemplo, é menor do que zero, nenhum torque positivo, qualquer que seja, deve ser gerado. Uma vez que o dispositivo de controle 3 não gera, em nenhum caso, torques negativos, nenhum acionamento dos tiristores A1, A2, B1, B2, C1, C2, qualquer que seja, tem lugar no caso de uma mref negativa. Isto significa que, no caso de uma velocidade de rotação acima da velocidade de rotação nominal, uma aceleração adicional é impedida.

Claims

1. Método para operar uma máquina síncrona (1) por meio de um controlador de potência trifásica (4) sendo composta por três controladores de semicondutor (6, 7, 8) que é conectada a uma rede trifásica, caracterizado por compreender as seguintes etapas, - a determinação da diferença de fase entre uma tensão de roda magnética da máquina síncrona (1) e uma tensão de rede da rede trifásica, - a determinação da velocidade rotacional do rotor da máquina síncrona, - a determinação da posição de fase da rede trifásica, ou seja, é determinado quando o ponto de corrente no tempo é removida da mais recente passagem por zero de uma das tensões de fase, - a determinação de pelo menos algumas das correntes do estator (21, 22, 23) da máquina síncrona (1), - o cálculo avançado da curva de torque para a máquina síncrona (1) para um período de tempo definível em caso de ativação de pelo menos dois dos controladores do semicondutor (6, 7, 8) tendo em conta os valores determinados para a diferença de fase, a velocidade de rotação, a corrente do estator e a posição da fase, - a determinação de um ponto de tempo de comutação com base no cálculo avançado, no caso em que pelo menos dois dos controladores de semicondutor (6, 7, 8) são ativados no ponto de tempo de comutação.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o cálculo avançado é utilizado como base para determinar se o ponto no tempo presente é empregado como um ponto de tempo de comutação.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que um número característico de decisão é determi- nado a partir do cálculo avançado e o número característico de decisão é comparado com um valor de limiar definido com o objetivo de determinar o ponto de tempo de comutação.

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que incluída no cálculo e levada em consideração está uma corrente máxima ocorrendo no período de tempo que resulta na ativação de pelo menos dois controladores de semicondutor (6, 7, 8) para a determinação da diferença de fase, da posição da fase, da corrente do estator (21, 22, 23) e da velocidade de rotação.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que um cálculo avançado das curvas de torque é realizado tanto para a ativação de todos os controladores de semicondutor (6, 7, 8) e também para a ativação dos três pares, cada um dos quais sendo composto por dois controladores de semicondutor (6, 7, 8).

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que um valor de torque máximo é determinado em função da diferença de fase e da velocidade de rotação e o valor de torque máximo é levado em consideração tal que nenhuma ativação dos controladores de semicondutor (6, 7, 8) é realizada se o cálculo avançado resulta em um torque esperado acima do valor de torque máximo.

7. Conjunto para operar uma máquina síncrona (1), projetado com o objetivo de executar um método, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por compreender, - um controlador de energia trifásica (6, 7, 8) que pode ser conectado a uma rede trifásica e compreende três controladores de semicondutor (6, 7, 8) para as fases (A, B, C) da rede trifásica, - um dispositivo para determinar a diferença de fase entre uma tensão da roda magnética da máquina síncrona e uma tensão de rede da rede trifásica, - um dispositivo para a determinação da velocidade de rotação do rotor da máquina síncrona, - um dispositivo para a determinação da posição de fase da rede trifásica, ou seja, é determinado quando o ponto de corrente no tempo é removida da mais recente passagem por zero de uma das tensões de fase, - um dispositivo para a determinação de pelo menos algumas das correntes do estator, - uma instalação de controle projetada com o objetivo de calcular antecipadamente a partir de valores determinados uma curva de torque da máquina síncrona (1) por um período de tempo definível na ativação de pelo menos alguns dos controladores de semicondutor (6, 7, 8) e com base no cálculo avançado, apurar um ponto de tempo de comutação em que os controladores de semicondutor (6, 7, 8) são ativados.

8. Conjunto, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de os controladores de semicondutor (6, 7, 8) compreendem tiristores (A1, A2, B1, B2, C1, C2).