BR112014010847B1

BR112014010847B1 - Método e montagem para operar uma máquina síncrona

Info

Publication number: BR112014010847B1
Application number: BR112014010847-1A
Authority: BR
Inventors: Marcel Benecke
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2021-04-13
Also published as: CN103918175A; WO2013068301A2; US9379651B2; BR112014010847A2; BR112014010847A8; IN2014KN00823A; EP2759055A2; EP2759055B1; CN103918175B; US20140312814A1; WO2013068301A3; DE102011085853A1

Abstract

MÉTODO E MONTAGEM PARA OPERAR MOTORES SÍNCRONOS. A presente invenção refere-se a um método para operar uma máquina síncrona (1) por meio de um controlador de energia AC trifásica (4), o qual é conectado a uma rede trifásica, compreendendo as seguintes etapas: determinar a diferença de fase entre a tensão ímã-volante da máquina síncrona (1) e a tensão de rede da rede trifásica; determinar a velocidade rotacional do rotor da máquina síncrona (1); determinar a posição de fase da rede trifásica; determinar um número característico de decisão com base em uma tabela de dados armazenada que tenha sido calculada antecipadamente, cuja tabela de dados associa um número característico de decisão com valores triplos de diferença de fase, posição de fase, e velocidade rotacional; e determinar pelo menos um ponto de tempo de comutação com base no número característico de decisão.

Description

[001] A presente invenção refere-se a um dispositivo para operar motores síncronos e a um método associado para operar motores síncronos por meio de controladores de energia trifásica que são conectados a uma rede trifásica e que compreendem pelo menos dois controladores semicondutores, por exemplo, tiristores conectados em antiparalelo. Isto lida em particular com a partida do motor síncrono.

[002] Motores síncronos trifásicos não tendo uma gaiola de partida são ligados à frequência da rede de fornecimento trifásico por causa de seu princípio de operação. Uma partida, em outras palavras, energização de tais motores por esta razão não é possível diretamente na rede. De preferência, um dispositivo que capacita energizar logo no início é necessário entre a rede trifásica e a máquina síncrona. Para esta finalidade, um conversor de frequência é normalmente usado. O conversor de frequência consiste de um retificador, um capacitor de circuito intermediário e um inversor. Ele é usado a fim de gerar uma corrente trifásica tendo uma frequência selecionável.

[003] O objetivo da invenção é especificar um método e um montagem por meio dos quais a operação de uma máquina síncrona em uma rede trifásica é capacitada com exigências mínimas em termos de componentes eletrônicos de potência. Nesta situação, a partida da máquina síncrona deve ser capacitada em particular.

[004] Com referência ao método de acordo com a invenção para operar uma máquina síncrona por meio de um controlador de energia trifásica que é conectado a uma rede trifásica, as etapas seguintes são executadas. Uma determinação é executada de um primeiro parâmetro na forma de uma diferença de fase entre tensão ímã- volante da máquina síncrona e tensão de rede da rede trifásica. Isto pode ser efetuado, por exemplo, por meio de medição da tensão de rede trifásica e da tensão ímã-volante e comparação correspondente. Além disso, uma determinação é executada da velocidade rotacional do rotor da máquina síncrona como um segundo parâmetro. A posição de fase da rede trifásica é determinada como um terceiro parâmetro. Em outras palavras, isto envolve apurar a que distância o ponto corrente no tempo é afastado da passagem por zero mais recente de uma tensão.

[005] Com base nos três parâmetros, um número característico de decisão é determinado com a ajuda de uma tabela de dados armazenada que tenha sido calculada antecipadamente. Nesta situação a tabela de dados associa um número característico de decisão com valores triplos consistindo de diferença de fase, posição de fase e velocidade rotacional. Com base no número característico de decisão pelo menos um ponto de tempo de comutação é determinado no qual os controladores semicondutores são ativados.

[006] Isto significa que a situação vantajosamente é alcançada em que ativação dos controladores semicondutores é executada somente em tais tempos de ponto de comutação nos quais um torque positivo é esperado. Torque positivo nesta situação é entendido para ser um torque que age somente em uma das duas direções possíveis para um procedimento de energização. Em outras palavras, somente torque de aceleração é gerado enquanto que torque de frenagem é evitado. Nesta situação, entretanto, o uso de um conversor de frequência não é necessário, mas somente um controlador de energia é empregado.

[007] Nesta situação, de acordo com uma modalidade vantajosa da invenção, o número característico de decisão é usado como a base para apurar se o presente ponto no tempo é empregado como um ponto de tempo de comutação. Em outras palavras, com base nos parâmetros apurados uma decisão é sempre tomada para o ponto corrente no tempo, em outras palavras imediatamente, tal como para se os controladores semicondutores são ativados. O método é então executado convenientemente de forma regular em intervalos de tempo tão pequenos quanto possível.

[008] Em uma modalidade adicional da invenção é apurado se os comutadores dos controladores de energia estão desligados, e somente neste caso o presente ponto no tempo é possivelmente empregado como um ponto de tempo de comutação. Em outras palavras, ativação dos controladores semicondutores somente então entra em consideração se os ditos controladores semicondutores estiverem correntemente desligados. Este procedimento é vantajoso porque a tabela de dados é criada no pré-requisito de que correntes não estão fluindo. Entretanto, se os controladores semicondutores estiverem ativados então corrente estará fluindo e a tabela de dados fornece um número característico de decisão incorreto para o ponto corrente no tempo.

[009] Em uma modalidade e desenvolvimento vantajosos da invenção o número característico de decisão é comparado com um valor limiar definível a fim de apurar um ponto de tempo de comutação. Alternativamente, os números característicos de decisão também podem ser armazenados na forma de valores verdadeiros, o que torna supérflua uma comparação com um valor numérico.

[0010] Por preferência, os números característicos de decisão da tabela de dados são calculados a partir de uma curva de torque resultando para a máquina síncrona, cuja curva de torque resulta em ativação dos controladores semicondutores para valores triplos consistindo de diferença de fase, posição de fase e velocidade rotacional. Se tiristores forem empregados nos controladores de energia, então após disparo dos tiristores acontecer isto resulta em um desligamento automático de novo e assim sempre um tempo de ativação finito para o qual a curva de torque pode ser calculada.

[0011] Os números característicos de decisão da tabela de dados nesta situação, por exemplo, podem levar em consideração uma corrente máxima ocorrendo que resulta em ativação dos controladores de energia para valores triplos consistindo de diferença de fase, posição de fase e velocidade rotacional. Alternativamente ou de forma adicional, é possível levar em consideração tanto um torque médio durante o tempo de ativação como também o torque efetivo durante o tempo de ativação.

[0012] A montagem de acordo com a invenção para operar uma máquina síncrona é projetada a fim de executar o método descrito. Ela compreende um controlador de energia trifásica que pode ser conectado a uma rede trifásica e compreende pelo menos dois controladores semicondutores para as fases da rede trifásica. A montagem, além disso, compreende:

[0013] - um dispositivo para determinar a diferença de fase entre tensão ímã-volante da máquina síncrona e tensão de rede da rede trifásica;

[0014] - um dispositivo para determinar a velocidade rotacional do rotor da máquina síncrona;

[0015] - um dispositivo para determinar a posição de fase da rede trifásica;

[0016] - um dispositivo de armazenamento e uma tabela de dados armazenada no dispositivo de armazenamento que associa um número característico de decisão com valores para a diferença de fase, posição de fase e velocidade rotacional; e também

[0017] - uma estrutura de controle projetada a fim de apurar a partir dos valores apurados para diferença de fase, posição de fase e velocidade rotacional o número característico de decisão e a partir do número característico de decisão apurar pelo menos um ponto de tempo de comutação no qual os controladores semicondutores são ativados.

[0018] O controlador de energia compreende pelo menos dois controladores semicondutores, convenientemente três controladores semicondutores, um por fase. Os elementos de comutação semicondutores em questão, por exemplo, podem ser controladores de energia AC. Os controladores de energia AC, por exemplo, podem ser implementados como pares de tiristores conectados em antiparalelo ou como triacs. IGBTs ou outros tipos de comutadores semicondutores, entretanto, também poderiam ser usados. O controlador de energia é conectado a uma rede trifásica. O enrolamento de estator do motor síncrono nesta situação preferivelmente é conectado em modo estrela sem um condutor neutro. Os controladores de energia AC são ativados ou disparados, em outras palavras, comutados para conduzir ou preparados para condução, em certos pontos no tempo.

[0019] Por preferência, a montagem compreende um dispositivo para apurar se todos os elementos de comutação semicondutores estão desligados ou, no caso de tiristores, extinguidos. Por exemplo, um dispositivo para medição de corrente pode ser empregado para este propósito.

[0020] O dispositivo em questão para determinar a velocidade rotacional do rotor da máquina síncrona, por exemplo, pode ser um dispositivo para determinar o ângulo de posição mecânica do rotor. O ângulo de posição mecânica convenientemente especifica a posição do rotor em relação a uma posição fixa definível espacialmente. O ângulo de posição neste caso se estende convenientemente de 0° a 360°. A velocidade rotacional é deduzida da mudança ao longo do tempo no ângulo de posição. Outras medições da velocidade rotacional também são possíveis.

[0021] A posição de fase da rede trifásica em pelo menos uma das fases do enrolamento de estator, além disso, é apurada. Também é possível usar métodos de medição diferentes neste caso. Para o método descrito e o dispositivo é necessário apurar o tempo transcorrido desde a passagem por zero mais recente da tensão de uma fase. O dito tempo transcorrido pode ser representado, apurado e usado como um ângulo ou como tempo ou em um modo diferente.

[0022] O método descrito é implementado em particular por meio de dispositivo de software. Com referência ao dispositivo descrito, este tem em particular uma unidade de controle que é projetada a fim de implementar o procedimento descrito. Por esta razão ele pode ser implementado simplesmente em controladores de energia existentes sem qualquer exigência adicional em termos de componentes. Obtenção da velocidade de rotor é necessária neste caso. É vantajoso se uma unidade de controle, a qual convenientemente é implementada atualmente como um microprocessador fornecido na máquina síncrona, assumir controle do controlador de energia. Neste caso, dados, por exemplo, de um codificador de posição integrado à máquina síncrona já estão disponíveis automaticamente. Além disso, uma máquina síncrona como esta já pode incluir o controlador de energia, em outras palavras, ser implementada como uma unidade completa que assim pode ser conectada diretamente a uma rede trifásica.

[0023] Uma modalidade exemplar preferida, mas não restritiva em nenhum modo, da invenção será descrita agora detalhadamente com referência aos desenhos. Nesta situação os recursos estão ilustrados esquematicamente e recursos correspondentes são identificados pelos mesmos números de referência. As figuras mostram isto detalhadamente:

[0024] A figura 1 mostra um diagrama de circuito equivalente de um controlador de energia com uma máquina síncrona conectada;

[0025] As figuras 2 e 3 mostram diagramas ilustrando os pontos de tempo de disparo; e

[0026] A figura 4 mostra um fluxograma para o controle da máquina síncrona.

[0027] Na figura 1, uma máquina síncrona de corrente trifásica 1 está conectada por meio de um controlador de energia trifásica 4 às fases A, B, C de uma rede trifásica. Cada uma das fases A, B, C é designada com um controlador semicondutor 6, 7, 8 consistindo de dois tiristores A1, A2, B1, B2, C1, C2 conectados em antiparalelo. Os eletrodos de disparo dos tiristores A1, A2, B1, B2, C1, C2 são conectados a um dispositivo de controle 3 por meio do qual os sinais de disparo exigidos a fim de disparar os tiristores A1, A2, B1, B2, C1, C2 são tornados disponíveis. O dispositivo de controle 3 também controla o ângulo de corte de fase. O dispositivo de controle 3 é implementado por meio de um microcontrolador. Um dispositivo de medição de tensão 5 é conectado entre duas fases A, B, C da rede, por exemplo, entre os terminais A e B da rede na figura 1, em cuja saída deste dispositivo de medição de tensão 5 a tensão de rede UAB ocorrendo entre os ditos dois terminais A e B está disponível. Dispositivos de medição de tensão adicionais, não mostrados, podem estar presentes igualmente para os outros pares bifásicos.

[0028] Em uma variante de modalidade o dispositivo de controle 3 e o controlador de energia 4 são uma unidade separada da máquina síncrona de corrente trifásica 1, em outras palavras, implementados como um dispositivo de controle de motor separado. Em uma segunda variante de modalidade o dispositivo de controle 3 e o controlador de energia 4 são parte da máquina síncrona de corrente trifásica 1. Neste caso, as funções do dispositivo de controle 3 convenientemente são integradas em um microprocessador já presente na máquina síncrona de corrente trifásica 1. Na presente modalidade exemplar o dispositivo de controle 3 é usado para processar um programa adequado por meio do qual a operação do dispositivo pode acontecer por meio de recursos de software.

[0029] A fim de acelerar a máquina síncrona a partir de uma paralisação um torque de aceleração é exigido. Para esta finalidade é necessário prover o enrolamento de estator com corrente de uma maneira em que o torque positivo (torque interno) é produzido em que tanto efetua uma aceleração da máquina como também compensa o torque contrário da carga. De acordo com a equação 1 o torque interno também é dependente da posição de rotor além das correntes.

onde mi é o torque interno, p o número de pares de polos, in correntes de estator, ^ o ângulo ímã-volante elétrico e ^ é a ligação de fluxo magnético.

[0030] A fim de gerar em certo ponto no tempo por meio de disparo dos tiristores A1, A2, B1, B2, C1, C2 correntes que entregam uma curva de torque favorável, corrente e torque são calculados antecipadamente para a máquina síncrona 1 tendo parâmetros de máquina conhecidos para certas constelações de parâmetros, isto é, velocidade rotacional e posição de fase da tensão de rede e da tensão induzida pelo rotor. As constelações de parâmetros apuradas para torque favorável servem como a base para a definição das condições de disparo.

[0031] O disparo e o cálculo de avanço do mesmo sempre acontecem em modo trifásico. Após certo tempo um tiristor A1, A2, B1, B2, C1, C2 extingue e subsequentemente cada um dos dois tiristores adicionais A1, A2, B1, B2, C1, C2. As figuras 2 e 3 mostram um exemplo das curvas para as correntes de fases 21, 22, 23 e para o torque 24 após disparo dos tiristores A1, A2, B1, B2, C1, C2 em ponto no tempo t = 0. Nesta situação, um torque efetivo 25 e um valor de média aritmética para o torque 26 resultam nas curvas mostradas. Os últimos dois valores se aplicam à curva total mostrada para o torque 24 e por esta razão são somente um número em cada caso e são independentes do tempo transcorrendo.

[0032] Após os tiristores A1, A2, B1, B2, C1, C2 terem extinguido um disparo renovado pode acontecer. O cálculo das correntes e do torque acontece numericamente na suposição de uma inércia de massa infinita do sistema durante o período total de condução de corrente. Assim é possível utilizar diretamente soluções válidas universalmente para equações diferenciais definidas para as correntes, nas quais os parâmetros de máquina e também os potenciais parâmetros de disparo devem ser inseridos em cada caso. Os potenciais parâmetros de disparo são o ponto de ligação no tempo em relação à passagem por zero de tensão de rede e ao ângulo de diferença entre os vetores de espaço da tensão de rede e da tensão ímã-volante (no estado não corrente) com referência à velocidade rotacional corrente. Dependendo dos ditos parâmetros, correntes e torque gerado e também o valor de média aritmética do mesmo são calculados. Usando os ditos dados, um mapa de torque é criado e armazenado por meio de variação de parâmetro.

[0033] Além do mais, no presente exemplo a avaliação dos valores de torque é efetuada por meio de uma função de avaliação:

onde m é a média aritmética do torque até quando todos os tiristores A1, A2, B1, B2, C1, C2 são extinguidos, mtó o máximo dos torques assim apurados no mapa total para uma velocidade rotacional, e mef o torque efetivo.

[0034] Além do mais, a corrente máxima fluindo é apurada e comparada com uma corrente máxima admissível definida. O resultado da variação de parâmetro é mascarado por meio da função de avaliação de torque e por meio do exame de corrente máxima. Isto significa que parâmetros de disparo para curvas de torques favoráveis são filtrados. Os mapas de torques ou a avaliação dos mesmos é armazenada em uma assim chamada de tabela de consulta (LUT) no dispositivo de controle 3.

[0035] Após cálculo, uma associação de curvas de torques avaliadas como sendo esperadas para um número definido de possíveis pontos de tempo de disparo fica assim disponível e disparo dos tiristores A1, A2, B1, B2, C1, C2 pode ser executado de acordo com os parâmetros obtidos. Nesta situação o ciclo seguinte mostrado na figura 4 é executado.

[0036] Em uma primeira etapa 31, tensão de rede, tensão ímã-volante e velocidade rotacional são medidas. Em uma segunda etapa 32, os parâmetros para a posição são determinados disto na tabela de consulta. Estes são a posição de fase relativa de tensão ímã-volante para tensão de rede, o tempo transcorrido desde a última passagem por zero de uma de as tensões de rede e a velocidade rotacional propriamente dita.

[0037] Em uma terceira etapa 33, a verificação da possibilidade de disparo de acordo com a LUT acontece. Se um bom ponto no tempo para o disparo for dado, a sequência avança para a quarta etapa 34; de outro modo ela retorna para a primeira etapa 31. Na quarta etapa 34, o disparo trifásico é executado.

[0038] Então em uma quinta etapa 35 a sequência espera por todos os tiristores A1, A2, B1, B2, C1, C2 extinguirem. Quando extinção tiver sido determinada, então a sequência retorna para a primeira etapa 31 para um novo ciclo.

[0039] Para a verificação da possibilidade de disparo de acordo com a LUT o valor de resultado da tabela de consulta é comparado com um valor limiar. Se o valor limiar for excedido, então os tiristores A1, A2, B1, B2, C1, C2 podem ser disparados. Nesta situação as três primeiras etapas de sequência são repetidas no presente exemplo em uma frequência de aproximadamente 1 ms. A frequência real depende das capacidades do hardware e da programação. Se os tiristores A1, A2, B1, B2, C1, C2 tiverem sido disparados, uma medição de corrente serve para apurar quando todos os tiristores A1, A2, B1, B2, C1, C2 foram extintos de novo. Somente então um novo ponto de tempo de disparo será procurado.

Claims

1. Método para operar uma máquina síncrona (1) por meio de um controlador de energia trifásica (4) que é conectado a uma rede trifásica, caracterizado por compreender as seguintes etapas, - determinação da diferença de fase entre tensão ímã- volante da máquina síncrona (1) e tensão de rede da rede trifásica, - determinação da velocidade rotacional do rotor da máquina síncrona, - determinação da posição de fase da rede trifásica, - determinação de um número característico de decisão com a ajuda de uma tabela de dados armazenada que tenha sido calculada antecipadamente, cuja tabela de dados associa um número característico de decisão com valores triplos consistindo de diferença de fase, posição de fase e velocidade rotacional, - determinação de pelo menos um ponto de tempo de comutação com base no número característico de decisão, em cujo caso os controladores semicondutores (6...8) são ativados no ponto de tempo de comutação.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o número característico de decisão é usado como a base para apurar se o presente ponto no tempo é empregado como um ponto de tempo de comutação.

3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que é apurado se os comutadores (A1, A2, B1, B2, C1, C2) dos controladores de energia (6, 7, 8) estão desligados, e somente neste caso o presente ponto no tempo é empregado como um ponto de tempo de comutação.

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o número característico de decisão é comparado com um valor limiar definível a fim de apurar um ponto de tempo de comutação.

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os números característicos de decisão da tabela de dados são calculados a partir de uma curva de torque resultando para a máquina síncrona (1), cuja curva de torque resulta em ativação dos controladores de energia (6, 7, 8) para valores triplos consistindo de diferença de fase, posição de fase e velocidade rotacional.

6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os números característicos de decisão da tabela de dados levam em consideração uma corrente máxima ocorrendo que resulta em ativação dos controladores de energia (6, 7, 8) para valores triplos consistindo de diferença de fase, posição de fase e velocidade rotacional.

7. Método de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que os números característicos de decisão da tabela de dados levam em consideração tanto um torque médio durante um período de tempo definível como também o torque efetivo durante o período de tempo, os quais resultam em ativação dos controladores de energia (6, 7, 8) para valores triplos consistindo de diferença de fase, posição de fase e velocidade rotacional.

8. Montagem para operar uma máquina síncrona (1), projetada a fim de executar um método como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a7, caracterizada pelo fato de que compreende, - um controlador de energia trifásica (6, 7, 8) que pode ser conectado a uma rede trifásica e compreende pelo menos dois controladores semicondutores (A1, A2, B1, B2, C1, C2) para as fases (A, B, C) da rede trifásica, - um dispositivo para determinar a diferença de fase entre tensão ímã-volante da máquina síncrona e tensão de rede da rede trifásica, - um dispositivo para determinar a velocidade rotacional do rotor da máquina síncrona, - um dispositivo para determinar a posição de fase da rede trifásica, - um dispositivo de armazenamento, - uma tabela de dados armazenada no dispositivo de armazenamento que associa um número característico de decisão com valores para a diferença de fase, posição de fase e velocidade rotacional, - uma estrutura de controle projetada a fim de apurar a partir dos valores apurados para diferença de fase, posição de fase e velocidade rotacional o número característico de decisão e a partir do número característico de decisão apurar pelo menos um ponto de tempo de comutação no qual os controladores semicondutores são ativados.

9. Montagem de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que os controladores semicondutores compreendem tiristores (A1, A2, B1, B2, C1, C2).

10. Montagem de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de possuir um dispositivo para apurar se todos os tiristores (A1, A2, B1, B2, C1, C2) estão extinguidos.