BR112021003694A2

BR112021003694A2 - método para controlar a velocidade de uma máquina trifásica permanentemente excitada, dispositivo de controle para uma máquina trifásica, e, máquina trifásica

Info

Publication number: BR112021003694A2
Application number: BR112021003694-6A
Authority: BR
Inventors: Hauke Nannen; Heiko Zatocil
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2018-09-26
Publication date: 2021-05-18
Also published as: WO2020064098A1; US11637514B2; CN112740535A; DE112018008023A5; US20220038036A1

Abstract

A fim de obter a classe de eficiência de energia IE4 definida na norma 60034 da IEC, é necessário operar máquinas síncronas permanentemente excitadas diretamente a partir do sistema de fonte de energia. Posto que isso não é prontamente possível, dispositivos de partida suave entram em consideração característica como soluções efetivas em termos de custo. A invenção refere-se a um método para controlar a velocidade de uma máquina trifásica permanentemente excitada (M) tendo um dispositivo de partida suave (SS) compreendendo tiristores por meio de uma cascata de controlador. Nesse método, todos os pontos de temporização de ignição possíveis dos tiristores do dispositivo de partida suave (SS) são calculados e também um torque é determinado, que é associado a cada ponto de temporização de ignição, e que resulta da ignição dos tiristores em um respectivo ponto de temporização de ignição. Além disso, um corredor de torque (DeltaMcorridor) é determinado com base em uma regra de cálculo predeterminada, à qual uma velocidade atual (nact) e um torque de ponto de regulagem (Mset) são fornecidos como variáveis de entrada. O corredor de torque é processado para o cálculo do ponto de temporização de ignição. É então determinado qual dos torques determinados se encontra no corredor de torque (DeltaMcorridor) e o ponto de temporização de ignição associado dos tiristores é determinado. Então, os tiristores são disparados no ponto de temporização de ignição associado.

Description

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MÉTODO PARA CONTROLAR A VELOCIDADE DE UMA MÁQUINA TRIFÁSICA PERMANENTEMENTE EXCITADA, DISPOSITIVO DE CONTROLE PARA UMA MÁQUINA TRIFÁSICA, E, MÁQUINA

TRIFÁSICA Descrição

[001] Uma máquina trifásica converte energia mecânica em corrente trifásica ou corrente trifásica em energia mecânica. Em princípio, ela pode ser operada como um gerador elétrico ou como um motor elétrico. Medidas para a limitação de energia durante a ligação de um dispositivo elétrico, por exemplo, um motor elétrico, são referidas como partida suave.

[002] De acordo com a norma 60034 da Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC), máquinas trifásicas são avaliadas em termos de sua eficiência nas diferentes classes de eficiência de energia. Mesmo na faixa de potência mais baixa até aproximadamente 20 KW, é somente com dificuldade que as eficiências legalmente prescritas para acionamentos elétricos podem ser satisfeitas, por cuja razão o uso de ímãs permanentes no rotor é crescentemente desejado, por exemplo, como um ímã permanente síncrono à máquina (PMSM).

[003] A Figura 1 mostra uma representação esquemática de uma tal máquina síncrona permanentemente excitada M, em uma modalidade como uma máquina de campo revolvente compreendendo um estator St e um rotor L. O rotor compreende um polo norte magnético N e polo sul S. O estator St compreende fases de enrolamento U, V, W. A representação deve ser entendida como mostrada meramente a título de exemplo e não tem qualquer efeito restritivo sobre o escopo de proteção da matéria reivindicada.

[004] Esse tipo de máquina provê a possibilidade de altos graus de eficiência de energia, mas a partida e a operação no rígido sistema de fonte de energia não são facilmente possíveis.

[005] A fim de tornar isso possível, uma gaiola amortecedora pode

2 / 22 ser provida no rotor da máquina, permitindo a segura aceleração no rígido sistema de fonte de energia, mas sujeitando o sistema de fonte de energia de alimentação a cargas severas, graças às correntes de partida muito altas.

[006] Similarmente, a operação em um apropriado atuador de componentes eletrônicos de potência, tal como, por exemplo, um conversor de frequência ou dispositivo de partida suave, é possível. Nesse caso, em particular o uso de um dispositivo de partida suave representa uma solução de baixo custo para a aceleração de uma máquina síncrona permanentemente excitada no sistema de fonte de energia rígida. Um tal dispositivo de partida suave reduz a tensão durante a ligação (por exemplo, por meio do controle de fase da borda dianteira), e lentamente aumenta a mesma até a tensão total do sistema. Todavia, uma tal partida suave é frequentemente somente possível no estado sem carga ou quando está presente uma pequena carga. Todavia, atualmente não existe até agora uma conhecida solução pronta no mercado para isso.

[007] Na dissertação do Dr. Marcel Benecke (Universidade de Magdeburg) intitulada “Anlauf von energieeffizienten Synchronmaschinen mit Drehstromsteller” [Partida de máquinas síncronas eficientes em termos de energia usando um controlador de potência trifásico], uma solução para a aceleração da máquina síncrona permanentemente excitada em um dispositivo de partida suave é apresentada. O método apresentado nessa obra, todavia, requer o presente deslocamento angular da máquina, com o resultado que os motores usados para o trabalho tiveram que ser equipados com um correspondente sistema sensor. Um sensor é entendido para significar um sensor de velocidade e um sensor de posição. Esses sensores detectam as variáveis mecânicas de velocidade e posição. Seus sinais são necessários para fornecer os valores atuais para os controladores de enlace fechado e para fechar os enlaces de controle de posição e velocidade existentes. Os sinais de posição e velocidade também atuam como uma importante variável de entrada

3 / 22 para o atua enlace de controle para os métodos de controle de enlace fechado vetoriais nos acionamentos trifásicos. O sensor, nesse caso, detecta a velocidade e/ou posição diretamente no eixo do motor.

[008] O sistema sensor, todavia, tem um efeito negativo sobre os custos e a disponibilidade do sistema, que atualmente torna uma solução de dispositivo de partida suave não atrativa para motores de alta eficiência. Por essas razões, um método para aceleração sem um sensor é desejado.

[009] Quando uma máquina síncrona permanentemente excitada está operando com um dispositivo de partida suave, um controle de velocidade que até agora não foi possível na prática seria desejável para implementar uma extensa variedade de aplicações.

[0010] O método requerido difere dos métodos sem sensores conhecidos na técnica anterior pela extensão em que ele deve ser capaz de ser usado para um controlador de tiristor e não um conversor de frequência. Consequentemente, esses métodos conhecidos não podem ser aplicados.

[0011] Um objetivo da invenção é o de especificar um método para operar uma máquina síncrona permanentemente excitada sem um sensor, que permite que uma carga externa seja mantida no lugar. Um objetivo adicional da invenção é o de especificar uma máquina síncrona permanentemente excitada sem um sensor, que opera pelo método de acordo com a invenção.

[0012] Esses objetivos são alcançados por um método de acordo com as características da reivindicação 1 e por um dispositivo de controle e uma máquina trifásica de acordo com as características das reivindicações 13 e 14, respectivamente. Refinamentos vantajosos são providos pelas reivindicações dependentes.

[0013] O presente pedido descreve um método para controlar a velocidade de uma máquina trifásica permanentemente excitada tendo um dispositivo de partida suave compreendendo tiristores por meio de uma cascata de controlador. Nesse método, todos os possíveis pontos de

4 / 22 temporização de ignição dos tiristores do dispositivo de partida suave são calculados e um torque associado a cada ponto de temporização de ignição, que resulta da ignição dos tiristores em um respectivo ponto de temporização de ignição, é determinado. Um corredor de torque é determinado com base em uma regra de cálculo predeterminada, à qual uma velocidade atual (nact) e um torque de ponto de regulagem (Mset) são alimentados como variáveis de entrada. É determinado, por uma comparação, qual dos torques determinados se encontra no corredor de torque. Então, o ponto de temporização de ignição dos tiristores associados ao torque determinado é determinado. Subsequentemente, os tiristores são disparados no ponto de temporização de ignição associado.

[0014] No caso de uma clássica cascata de controlador de velocidade, consistindo em um controlador de velocidade e um controlador de corrente/torque, o torque de ponto de regulagem, que o controlador de velocidade fornece, é convertido pelo controlador de corrente de um para um. Dessa maneira é possível que a velocidade de ponto de regulagem possa ser mantida muito bem e que o valor de ponto de regulagem de velocidade e valor atual coincidam bem, mesmo quando existirem alterações de passo de ponto de regulagem.

[0015] Quando uma máquina síncrona permanentemente excitada está operando com um dispositivo de partida suave, isso não é possível. Uso é feito aqui de um método apresentado pela depositante no WO 2018/086688 A1, em que o motor é acelerado para o máximo com a primeira ignição dos tiristores do dispositivo de partida suave e subsequentemente o ângulo de fluxo da máquina é calculado com base nas tensões induzidas medidas. Depois da primeira operação de disparo, o ângulo de fluxo da máquina já pode ser determinado diretamente da tensão de terminal medida (as correntes de fase são, no meio tempo, zero).

[0016] A determinação dos pontos de temporização de ignição é

5 / 22 baseada inicialmente na medição direta das tensões induzidas, isto é, a força eletromotriz, EMF. Para seguinte operação de disparo, é então possível usar o ângulo calculado. Como um resultado, o ângulo pode ser determinado muito bem a partir das tensões medidas, mesmo a baixas velocidades.

[0017] A fim atualmente de acelerar a máquina para o máximo com a primeira ignição, o ângulo de disparo ótimo para o arranque da máquina pode ser exatamente determinado (o ângulo de arranque é conhecido) no curso de um processo de comissionamento, que é descrito no WO 2018/072810 A1.

[0018] O método conhecido da depositante e usado no curso desse processo não pode aplicar um toque constante, mas somente um torque variável no tempo (no primeiro senoidal de aproximação). Similarmente, esse torque não pode ser livremente selecionado e exatamente ajustado em um nível específico (por intermédio da corrente) como no caso da máquina modulada por largura de pulso com controle de corrente, uma vez que o método apresentado pela depositante não representa o controle de torque. Se uma oportunidade de disparo razoavelmente boa for perdida, às vezes pode levar vários milissegundos antes de existir novamente uma situação apropriada para disparar os tiristores. Se, por conseguinte, em vista dessas circunstâncias, uma clássica cascata de controlador fosse usada para o controle de velocidade, o sistema não seria capaz de funcionar.

[0019] O método proposto de acordo com a invenção elimina essas desvantagens, na medida em que o cálculo dos pontos de temporização de ignição é modificado com a ajuda do corredor de torque determinado. O corredor de torque permite a determinação dos pontos de temporização de ignição na dependência de vários pontos de operação, por exemplo, na dependência da velocidade atual. A velocidade atual pode, nesse caso, ser medida com a ajuda de um sensor ou ser calculada a partir da EMF.

[0020] A fim de assegurar que, na primeira aproximação, o torque requerido de ponto de regulagem seja aplicado, e não um torque que é muito

6 / 22 demasiadamente grande ou muito demasiadamente pequeno, o corredor dependente de velocidade e ponto de ajuste de torque, no qual o valor médio do previsto torque variável no tempo vier a se encontrar, é definido. Posto que o método não constitui um controlador de corrente, é dessa maneira assegurado que o torque de ponto de regulagem e o torque atual assumam valores similares.

[0021] Em comparação com um motor assíncrono num dispositivo de partida suave, isso permite novas aplicações. Em particular no caso de aplicações, nas quais existe predominantemente funcionamento contínuo, mas, não obstante, temporariamente baixas velocidades são requeridas, uma alternativa favorável para o motor operado com um conversor de frequência pode ser provida por meio de um dispositivo de partida suave e máquina trifásica permanentemente excitada com uma gaiola amortecedora. Um exemplo disso, que pode ser dado, é o posicionamento simples com duas barreiras de luz.

[0022] Um refinamento expediente provê que nenhum disparo dos tiristores seja realizado, se nenhum torque associado vier a se encontrar no corredor de torque para todos os pontos de temporização de ignição possíveis. Como um resultado, o rotor da máquina trifásica não pode ser acelerado “erradamente”, isto é, com um torque que é demasiadamente grande ou demasiadamente pequeno.

[0023] É também expediente se, em um caso no qual um número dos torques determinados passar a se encontrar no corredor de torque, o ponto de temporização de ignição associado ao torque que é selecionado é um para o qual o torque associado chega mais perto ao torque de ponto de regulagem. Isso permite o controle da velocidade que chega mais perto ao objetivo desejado.

[0024] Um refinamento expediente provê que a regra de cálculo compreenda um limite superior e um limite inferior. O limite superior é

7 / 22 definido por uma tolerância percentual adicionada ao torque de ponto de regulagem. O limite inferior é definido por uma tolerância percentual subtraída do torque de ponto de regulagem. Como um resultado, o corredor tem uma largura variável, dependente do nível determinado ou torque requerido de ponto de regulagem, essa largura se tornando maior com crescente nível do torque de ponto de regulagem. Isso significa que, quando o torque de ponto de regulagem aumenta, desvios crescentes são possíveis para o torque previsto e, como um resultado, existe uma elevada probabilidade de encontro de pontos de temporização de ignição apropriados para disparar os tiristores do dispositivo de partida suave.

[0025] Como uma alternativa ou em adição, pode ser provido que a regra de cálculo compreenda um limite superior e um limite inferior, o limite superior sendo definido por uma tolerância absoluta adicionada ao torque de ponto de regulagem Mset. O limite inferior é definido por uma tolerância absoluta subtraída do torque de ponto de regulagem Mset. Como um resultado, o corredor tem a mesma largura, independentemente do nível determinado ou torque requerido de ponto de regulagem, ou, em conjunção com a tolerância percentual adicionada, um alargamento uniforme. Isso aumenta a probabilidade de se poder calcular pontos de temporização de ignição apropriados para disparar os tiristores do dispositivo de partida suave.

[0026] Um refinamento adicional provê que o torque de ponto de regulagem seja adaptado à característica de carga, um torque de ponto de regulagem adaptado sendo determinado do torque de ponto de regulagem e a velocidade atual. Como um resultado, o torque máximo de ponto de regulagem, que é usado como uma variável de entrada para determinação dos tempos de disparo, pode ser limitado. Por conseguinte, pode ser expedientemente provido que um torque de ponto de regulagem máximo permissível seja determinado da velocidade atual, em particular com base em uma ou mais curvas características de torque-velocidade.

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[0027] Além disso, o torque de ponto de regulagem máximo permissível pode ser processado como uma variável de entrada para determinar o corredor de torque, o torque de ponto de regulagem máximo permissível sendo processado como o torque de ponto de regulagem. Como uma alternativa ou em adição, pode ser contemplado determinar o torque de ponto de regulagem adaptado do torque de ponto de regulagem máximo permissível e do torque de ponto de regulagem. Nesse caso, é provido em particular que o novo torque de ponto de regulagem seja escolhido para ser menor que o torque de ponto de regulagem máximo permissível. Como um resultado, é assegurado que o controlador de velocidade não requeira um torque que é demasiadamente grande e aceleraria o acionamento demasiadamente rapidamente. Em uma cascata de controlador tradicional, esse efeito (ultrapassagem da velocidade) iria ser compensado, por exemplo, por um torque negativo de ponto de regulagem por um curto tempo. Isso não é facilmente possível aqui pelas razões acima mencionadas. Por conseguinte, flutuações de velocidade indesejadas não podem ocorrer.

[0028] Os refinamentos descritos acima permitem uma partida em forma de rampa do motor com aceleração livremente selecionável e também uma redução específica da velocidade por meio de uma rampa de desaceleração. Além disso, a operação do motor por um curto tempo a uma velocidade livremente selecionável é possível, que pode ser usada, por exemplo, para aplicações de posicionamento rudimentares (partida com duas velocidades).

[0029] Um outro refinamento expediente provê que os pontos de temporização de ignição sejam determinados de uma tal maneira que um torque negativo seja gerado para uma reversão da direção de rotação da máquina trifásica. Se a determinação dos pontos de temporização de ignição for alterada para o efeito que, se requerido, somente torques sejam permitidos, uma máquina trifásica estacionária pode ser acelerada em uma direção

9 / 22 negativa de rotação - isto é, que a direção de rotação é revertida. Posto que o sistema de fonte de energia de alimentação tem então uma direção de rotação, dirigida opostamente, a máquina pode ser acelerada na direção negativa para cerca de 60% de sua velocidade nominal. Uma vantagem dessa solução é que nenhum contator adicional é requerido para reverter a direção de rotação. Um campo revolvente com rotação negativa, que consequentemente tem o efeito de reverter a direção de rotação da máquina trifásica, é gerado apenas por meio da escolha apropriada do ponto de temporização de ignição dos tiristores. Deve ser notado que o método descrito não é destinado para a operação contínua da máquina, mas somente para acelerar a máquina para uma banda de velocidade.

[0030] Um outro refinamento expediente provê que um torque positivo e um torque negativo sejam alternadamente gerados para mudar ciclicamente a direção de rotação da máquina trifásica. De acordo com esse refinamento, em particular depois de um alinhamento da máquina trifásica, conforme descrito com relação ao processo de comissionamento exposto na WO 2018/072810 A1, a máquina trifásica é preferivelmente acelerada com um torque máximo na direção positiva de rotação até a velocidade atual exceder um valor limite. Subsequentemente, a máquina trifásica é acelerada com preferivelmente o torque negativo máximo na direção negativa de rotação até a velocidade atual exceder um segundo valor limite de velocidade e a aceleração novamente é realizada na direção positiva de rotação. A máquina trifásica, por conseguinte, altera ciclicamente o sinal da velocidade mecânica. Dependendo da parametrização dos valores limites, uma grande ou pequena amplitude de controle de velocidade pode ser ajustada. A possível alteração abrupta na velocidade e direção de rotação pode ser usada, por exemplo, para desalojar depósitos em uma bomba.

[0031] Também proposto é um dispositivo de controle para uma máquina trifásica tendo um dispositivo de partida suave, que é distinguido

10 / 22 pelo fato de que é projetado para realizar o método descrito aqui. Esse tem as mesmas vantagens associadas que as que foram descritas em conjunção com o método de acordo com a invenção.

[0032] Em particular, o dispositivo de controle para controlar a velocidade de uma máquina trifásica permanentemente excitada tendo um dispositivo de partida suave compreendendo tiristores por meio de uma cascata de controlador compreende um controlador de velocidade, uma unidade de cálculo de ponto de temporização de ignição e uma unidade de adaptação. A unidade de cálculo de ponto de temporização de ignição é projetada para calcular todos os pontos de temporização de ignição possíveis dos tiristores do dispositivo de partida suave e também para determinar um torque associado a cada ponto de temporização de ignição, que resulta da ignição dos tiristores em um respectivo ponto de temporização de ignição. A unidade de adaptação é projetada para determinar um corredor de torque com base em uma regra de cálculo predeterminada, que é alimentada na velocidade atual e um torque de ponto de regulagem, e é alimentado ao controlador de velocidade para o processamento. A unidade de cálculo de ponto de temporização de ignição é projetada para determinar quais dos torques determinados se encontra no corredor de torque e para determinar o ponto de temporização de ignição associado dos tiristores. Além disso, a unidade de cálculo de ponto de temporização de ignição é projetada para disparar os tiristores no ponto de temporização de ignição associado aos mesmos.

[0033] A unidade de cálculo de ponto de temporização de ignição é também projetada não para realizar a ignição dos tiristores se nenhum torque associado vier a se encontrar no corredor de torque para todos os pontos de temporização de ignição possíveis. Em um refinamento adicional, a unidade de cálculo de ponto de temporização de ignição é projetada de forma que, em um caso no qual um número dos torques determinados se encontrar no corredor de torque, o ponto de temporização de ignição associado ao torque

11 / 22 que ele seleciona é um para o qual o torque associado chega mais perto ao torque de ponto de regulagem.

[0034] Além disso, uma máquina trifásica tendo um dispositivo de partida suave é proposta. Essa máquina é projetada para realizar o método descrito aqui, permitindo assim que a máquina trifásica seja mantida na posição.

[0035] A invenção é explicada em mais detalhe abaixo com base nas Figuras: a Figura 1 mostra uma seção através de uma máquina trifásica dada a título de exemplo; a Figura 2 mostra uma representação esquemática da construção de acordo com a invenção; a Figura 3 mostra uma cascata de controlador de acordo com a invenção; a Figura 4 mostra um fluxograma do método de acordo com a invenção; a Figura 5 e 6 mostram perfis de tempo da velocidade e as correntes de fase de duas diferentes medições de uma função de rampa de desaceleração; as Figuras 7 a 9 mostram perfis de tempo da velocidade e as correntes de fase de três diferentes medições de uma alteração em degrau na velocidade para implementar uma velocidade intermediária; a Figura 10 mostra um perfil de tempo do torque para produzir uma reversão da direção de rotação da máquina trifásica; a Figura 11 mostra o perfil de tempo da velocidade quando existe uma reversão da direção de rotação; e a Figura 12 mostra o perfil de tempo da velocidade com uma função de reversão ativada.

[0036] A Figura 2 mostra a desejada construção básica da máquina

12 / 22 trifásica, projetada como uma máquina síncrona permanentemente excitada M, tendo um dispositivo de partida suave SS (por exemplo, a dispositivo de partida suave Sirius) sem um sensor e com um sensor G à esquerda. Conforme descrito no início, a máquina trifásica pode ser projetada, por exemplo, como uma máquina de campo revolvente compreendendo um estator St e um rotor L. O rotor L compreende um polo norte magnético N e polo sul S. O estator St compreende fases de enrolamento U, V, W. O rotor L pode ser conectado, por exemplo, para a rotação conjunta (por meio de um mecanismo de engrenagens), a um eixo (não mostrado), que é atuado por uma carga externa com um torque, em particular um toque constante.

[0037] Com a ajuda do método descrito abaixo, que é baseado no método apresentado pela depositante no WO 2018/086688 A1 e é referido abaixo como o método de partida sem sensores, o cálculo de pontos de temporização de ignição dos tiristores do dispositivo de partida suave SS é realizado.

[0038] O método de partida sem sensores é baseado no conceito que, quando os tiristores são disparados pela primeira vez, a máquina trifásica (também: o motor) é acelerado com o torque máximo possível. Dessa maneira pretende-se assegurar que, depois da ignição pela primeira vez, o motor já excedeu uma certa velocidade mínima, e, consequentemente, as tensões induzidas durante o inerente intervalo fora de estado dos tiristores possam ser medidas de forma suficientemente precisa. O ângulo elétrico do motor pode subsequentemente ser determinado a partir das tensões induzidas com base no assim chamado método de EMF, já conhecido, e pode ser transferido para o método de Benecke (da dissertação acima mencionada). Além disso, durante um disparo de duas fases, a tensão da terceira fase pode ser medida diretamente e levada em conta na avaliação.

[0039] Posto que os motores nos dispositivos de partida suave usualmente acionam cargas passivas com curvas características de carga

13 / 22 lineares ou quadráticas, o torque serve durante a ignição pela primeira vez quase que completamente para a aceleração da massa inerte. Até essa extensão, pode ser assumido que a aceleração durante a ignição pela primeira vez é suficiente e as tensões induzidas podem ser medidas de forma suficientemente precisa. Os sistemas de sensores de medição, que estão presentes em qualquer caso no dispositivo de partida suave, podem ser usados para medir as tensões. O método, por conseguinte, não requer qualquer hardware adicional.

[0040] O método de partida sem sensores compreende duas etapas. Etapa 1: Determinação do ângulo de disparo ótimo:

[0041] Posto que o método para o alinhamento inicial da máquina tenha sido completado, o ângulo atual do motor é conhecido. Com base nesse ângulo de partida conhecido, esse ângulo de partida do dispositivo de partida suave, com o qual o torque gerado no motor está em um máximo para uma dada corrente máxima, pode ser calculado de acordo com o método acima mencionado. A fim de desenvolver um torque que seja tão alto quanto possível durante a ignição pela primeira vez dos tiristores, a corrente permissível máxima na ignição pela primeira vez é ajustada para a corrente permissível máxima para os semicondutores de potência.

[0042] O cálculo do ângulo de disparo ótimo é geralmente baseado também no perfil do ângulo de rotação e na velocidade rotacional durante a ignição dos tiristores, mas esses não são conhecidos quando o ângulo de disparo é calculado. Por essa razão, o ângulo de disparo ótimo para a ignição pela primeira vez deve ser determinado antecipadamente para o acionamento no curso de um processo de comissionamento. Etapa 2: Mudança para o método de EMF (força eletromotriz):

[0043] Posto que a máquina síncrona permanentemente excitada tenha sido acelerada pela ignição pela primeira vez, as tensões induzidas pela rotação da máquina são grandes o suficiente para serem medidas durante a

14 / 22 fase fora de estado dos tiristores. Subsequentemente, o ângulo de fluxo da máquina pode ser determinado das tensões medidas, por exemplo, por um observador ou por um simples cálculo de arco tangente. Similarmente, é concebível determinar o ângulo de rotação somente com base nas tensões de excitação, nas correntes medidas e nas equações de máquina, isto é, com a ajuda de uma regra de cálculo.

[0044] Independentemente da abordagem escolhida, inúmeros métodos da área de controle sem sensores já são conhecidos nos casos mencionados, e podem ser usados aqui. O ângulo de fluxo determinado pelo método de EMF é transferido para o método de Benecke como um valor atual e usado para determinar o próximo ângulo de disparo ótimo durante rotação da máquina.

[0045] A Figura 3 mostra uma cascata de controlador usada no curso do método de acordo com a invenção para controlar a velocidade da máquina de imãs permanentes trifásica. Essa cascata compreende um controlador de velocidade 10, uma unidade de cálculo de ponto de temporização de ignição 20 uma unidade de determinação de característica de carga 30.

[0046] O controlador de velocidade 10 é projetado para determinar um torque de ponto de regulagem Mset para a máquina trifásica M a partir de uma velocidade de ponto de regulagem nset e uma velocidade atual nact. A velocidade atual nact pode ser medida por meio de um sensor. A velocidade atual nact pode também ser calculada a partir de EMF.

[0047] A unidade de cálculo de ponto de temporização de ignição 20 compreende uma unidade de determinação 22, que, conforme descrito acima, é projetada para realizar o cálculo dos tempos de disparo, a fim de obter, tanto quanto possível, o torque de ponto de regulagem Mset, alimentado à mesma. Uma unidade de determinação 22 é consequentemente projetada para realizar o método de partida sem sensores e para fornecer todos os pontos de temporização de ignição possíveis para a ignição dos tiristores do dispositivo

15 / 22 de partida suave SS.

[0048] A unidade de cálculo de ponto de temporização de ignição 20 adicionalmente compreende uma unidade de adaptação 21, que é projetada para determinar um corredor de torque ∆Mcorridor com base em uma regra de cálculo predeterminada, que é alimentado à velocidade atual nact e ao torque de ponto de regulagem Mset. O corredor de torque é alimentado a uma unidade de determinação 22 de a unidade de cálculo de ponto de temporização de ignição 20 para determinar os pontos de temporização de ignição dos tiristores do dispositivo de partida suave.

[0049] A unidade de determinação 22 calcula todos os pontos de temporização de ignição possíveis dos tiristores do dispositivo de partida suave (SS) e determina um torque associado a cada ponto de temporização de ignição, resultando da ignição dos tiristores em um respectivo ponto de temporização de ignição. Subsequentemente, a unidade de determinação 22 determina quais dos torques determinados se encontram no corredor de torque e determina o ponto de temporização de ignição associado dos tiristores. Então, a unidade de determinação 22 emite um correspondente sinal para disparar os tiristores no ponto de temporização de ignição associado.

[0050] Se nenhum torque associado vier a se encontrar no corredor de torque ∆Mcorridor para todos os pontos de temporização de ignição possíveis, nenhum sinal para disparar os tiristores é fornecido. Se, por um lado, um número dos torques determinados se encontrar no corredor de torque ∆Mcorridor, o ponto de temporização de ignição associado ao torque que é selecionado é um para o qual o torque associado chega mais perto ao torque de ponto de regulagem Mset.

[0051] A regra de cálculo processada pela unidade de adaptação 21 pode ser baseada em uma ou mais curvas características previamente definidas, que definem ou delimitam o corredor de torque. A regra de cálculo processada pela unidade de adaptação 21, ou o corredor assim definido,

16 / 22 compreende um limite superior e um limite inferior. O limite superior é definido por uma tolerância percentual adicionada ao torque de ponto de regulagem Mset. O limite inferior é definido por uma tolerância percentual subtraída do torque de ponto de regulagem Mset. Como um resultado, o corredor tem uma largura variável, dependente do nível determinado ou torque de ponto de regulagem requerido Mset, essa largura se tornando maior com crescente nível do torque de ponto de regulagem.

[0052] Como uma alternativa ou em adição, pode ser provido que a regra de cálculo compreenda um limite superior e um limite inferior, o limite superior sendo definido por uma tolerância absoluta adicionada ao torque de ponto de regulagem Mset. O limite inferior é definido por uma tolerância absoluta subtraída do torque de ponto de regulagem Mset. Como um resultado, o corredor a mesma largura, independentemente do nível determinado ou torque de ponto de regulagem requerido, ou, em conjunção com a tolerância percentual adicionada, um alargamento uniforme. Isso aumenta a probabilidade de se poder calcular pontos de temporização de ignição apropriados para disparar os tiristores do dispositivo de partida suave.

[0053] A unidade de determinação de característica de carga 30, meramente opcional, serve para adaptar o torque de ponto de regulagem Mset à característica de carga do torque de ponto de regulagem Mset e à velocidade atual nact. A unidade de determinação de característica de carga 30 compreende uma unidade 31, que é projetada para determinar um torque de ponto de regulagem máximo permissível Mset_max a partir da velocidade atual nact, em particular com base em uma ou mais curvas características de torque- velocidade. Em outras palavras, o torque de ponto de regulagem máximo permissível associado Mset_max é determinado para uma velocidade atual nact ocorrendo no tempo particular de uma curva característica estabelecida antecipadamente, por exemplo, por ensaios ou simulações numéricas. A unidade de determinação de característica de carga 30 também compreende

17 / 22 uma unidade de limitação 32.

[0054] O torque de ponto de regulagem máximo permissível Mset_max é alimentado, por um lado, à unidade de adaptação 21 para determinar o corredor de torque ∆Mcorridor, pela qual o torque de ponto de regulagem máximo permissível Mset_max é processado como o torque de ponto de regulagem Mset. Por um lado, o torque de ponto de regulagem máximo permissível Mset_max é alimentado à unidade de limitação 32, que determina, a partir do torque de ponto de regulagem máximo permissível Mset_max e do torque de ponto de regulagem, um torque de ponto de regulagem adaptado Mset’, que é alimentado como uma variável de referência a uma unidade de determinação 22. No caso mais simples, o torque de ponto de regulagem máximo permissível Mset_max é usado como o torque de ponto de regulagem adaptado Mset’, embora outras transformações adicionais sejam possíveis. Em particular, o torque de ponto de regulagem adaptado Mset’ é escolhido para ser menor que o torque de ponto de regulagem máximo permissível Mset_max.

[0055] A cascata de controlador, mostrada na Figura 3, consistindo em um controlador de velocidade adaptável à velocidade 10 e um algoritmo modificado (21, 22 e, opcionalmente, 31, 32) permite o cálculo dos tempos de disparo. Na dependência da velocidade atual nact, o torque máximo de ponto de regulagem Mset_max é limitado pela unidade de determinação de característica de carga 30. Se a curva característica de torque-velocidade da carga for levada em conta na curva característica 1, é assegurado pela unidade 31 que o controlador de velocidade 10 não requeira um torque que é demasiadamente grande e aceleraria o motor demasiadamente rapidamente. A fim de assegurar que, em primeira aproximação, o torque requerido (isto é o torque de ponto de regulagem adaptado Mset’) seja aplicado, e não um torque que é muito demasiadamente grande ou muito demasiadamente pequeno, o corredor dependente da velocidade e do torque de ponto de ajuste, no qual o valor médio do previsto torque variável no tempo deve se encontrar, é

18 / 22 definido. Posto que o algoritmo não constitui um controlador de corrente, é dessa maneira assegurado que o torque de ponto de regulagem e o torque atual assumam valores similares.

[0056] A Figura 4 mostra um fluxograma do método de acordo com a invenção. Na etapa S1, todos os pontos de temporização de ignição possíveis dos tiristores do dispositivo de partida suave são determinados e um torque associado a cada ponto de temporização de ignição, que resulta da ignição dos tiristores em um respectivo ponto de temporização de ignição, é determinado. Na etapa S2, um corredor de torque é determinado com base em uma regra de cálculo predeterminada, à qual a velocidade atual e o torque de ponto de regulagem são alimentados como variáveis de entrada. O corredor de torque é processado para calcular o ponto de temporização de ignição. Na etapa S3, a determinação de qual dos torques determinados se encontra no corredor de torque e a determinação do ponto de temporização de ignição associado dos tiristores são realizadas. Finalmente, na etapa S4, a ignição dos tiristores no ponto de temporização de ignição associado é realizado.

[0057] O método descrito é baseado somente nos valores medidos que já estão presentes em uma unidade padrão e não requer qualquer equipamento de sensor adicional. Consequentemente, é possível prover apenas um produto existente com software adicional para a operação de um motor IE4.

[0058] Segue agora também uma descrição de aplicações com base no controle de velocidade. Função de rampa de desaceleração

[0059] Os perfis de tempo da velocidade n e as correntes de fase IU,V,W das três fases U, V, W, que são representadas nas Figuras 5 e 6, resultam de duas medições diferentes da desaceleração de um motor de ímãs permanentes em um dispositivo de partida suave. Através de toda a medição, o motor é carregado com um torque quadrático, que, na velocidade nominal, corresponde ao torque nominal. A velocidade atual é indicada, em cada caso,

19 / 22 no diagrama inferior das Figuras 5 e 6 por nreal. A fim de prevenir a paralisação abrupta do motor, um torque que controla uma lenta redução da velocidade é também gerado na máquina.

[0060] Similarmente à Figura 5, a Figura 6 mostra uma redução de potência da máquina. A Figura 6 adicionalmente mostra que a redução de potência muito mais lenta é também possível. A desaceleração de motores de ímãs permanentes, de alta eficiência, no dispositivo de partida suave permite que eles sejam usados em aplicações de bomba. Por exemplo, a desaceleração previne o dano que é causado por golpe de aríete (também conhecido como aumento de pressão). Velocidades intermediárias

[0061] A cascata de controlador pode também ser usada para a operação temporária de um motor de ímãs permanentes, de alta eficiência, em velocidades mais baixas que a velocidade nominal. Por exemplo, velocidades fixas podem ser previamente configuradas.

[0062] As Figuras 7 a 9 mostram perfis de tempo da velocidade n e as correntes de fase IU,V,W das três fases U, V, W de três medições diferentes de uma alteração em degrau na velocidade para a implementação de uma velocidade intermediária. A velocidade atual é indicada, em cada caso, no diagrama inferior das Figuras 7 a 9 por nreal.

[0063] A Figura 7 mostra uma alteração em degrau na velocidade da velocidade nominal (n = 1500 RPM) para uma velocidade mais baixa (n = 900 RPM) com um torque de carga total. Uma velocidade de ponto de regulagem nset é prescrita quase que na forma de uma alteração em degrau. Existe um ligeiro período de atraso de acordo com a inércia do motor. Pode ser visto que ambos os níveis de velocidade são mantidos e, além da ondulação de velocidade causada pela única controlabilidade muito limitada do tiristor, coincidem.

[0064] A medição mostrada na Figura 8 foi registrada sob as mesmas

20 / 22 condições que aquelas na Figura 7, com a única diferença sendo que, desta vez, uma rampa de velocidade é prescrita como o valor de ponto de regulagem nset, ao invés de uma alteração em degrau na velocidade. Como já no caso das velocidades fixas, o motor pode também seguir bem essa rampa.

[0065] A medição mostrada na Figura 9 mostra o caso oposto da aceleração do motor a partir da velocidade n = 350 RPM para a velocidade n = 1500 RPM. Como também no caso da alteração da velocidade nominal para um estágio de velocidade mais baixa, apresentado na Figura 8, o seguimento de uma rampa de velocidade é facilmente possível.

[0066] As medições nas Figuras 5 a 9 mostram que a operação com uma máquina carregada é possível a diferentes velocidades abaixo da velocidade nominal do motor de ímãs permanentes, de alta eficiência, no dispositivo de partida suave. As transições podem também ser livremente configuradas. Em comparação com um motor assíncrono no dispositivo de partida suave, isso permite aplicações completamente novas. Em particular no caso de aplicações nas quais existe predominantemente funcionamento contínuo, mas, não obstante, velocidades temporariamente mais baixas são requeridas, uma alternativa favorável para o motor operado com um conversor de frequência pode ser provida por meio de um dispositivo de partida suave e motor de ímãs permanentes com uma gaiola amortecedora.

[0067] Um exemplo disso, que pode ser dado, é o posicionamento simples com duas barreiras de luz. Se a unidade a ser posicionada passar através da primeira barreira de luz, a velocidade do motor é reduzida da velocidade de sistema de fornecimento para uma velocidade muito mais baixa (por exemplo, 20% da velocidade do sistema de fornecimento) e a unidade a ser posicionada é desacelerada. Então, o dispositivo continua até a segunda barreira de luz ser também ultrapassada, e a frenagem completa do dispositivo é realizada. Como um resultado da redução anterior na velocidade, é levado para uma paralisação oportuna e outra ultrapassagem da posição pretendida

21 / 22 (que ocorreria em particular no caso de inércias grandes e variáveis) é prevenida. Uma tal aplicação pode somente ser implementada atualmente por meio de um conversor de frequência. Reversão da direção de rotação

[0068] A cascata de controlador permite que os pontos de temporização de ignição também sejam determinados de uma tal maneira que um torque negativo seja gerado. Isso permite uma reversão da direção de rotação da máquina trifásica, conforme mostram as Figuras 10 e 11. Se a determinação dos pontos de temporização de ignição for alterada para o efeito que, se requerido, somente torques sejam permitidos, uma máquina trifásica estacionária pode ser acelerada em uma direção negativa de rotação - isto é, que a direção de rotação é revertida. Posto que que o sistema de fonte de energia de alimentação tem então uma direção de rotação, dirigida opostamente, a máquina pode ser acelerada na direção negativa para cerca de 60% de sua velocidade nominal.

[0069] Uma vantagem dessa solução é que nenhum contator adicional é requerido para reverter a direção de rotação. Um campo revolvente com rotação negativa, que, consequentemente, tem o efeito de reverter a direção de rotação da máquina trifásica, é gerado apenas por meio da escolha apropriada do ponto de temporização de ignição dos tiristores.

[0070] Deve ser notado que a reversão da direção de rotação não é destinada para a operação contínua da máquina, mas somente para acelerar a máquina para uma certa banda de velocidade. Alteração alternada da direção de rotação

[0071] Um outro refinamento expediente provê que um torque positivo e um torque negativo sejam alternadamente gerados para mudar ciclicamente a direção de rotação da máquina trifásica. Aqui, em particular depois de um alinhamento da máquina trifásica, conforme descrito com relação ao processo de comissionamento (WO 2018/072810 A1), a máquina

22 / 22 trifásica é preferivelmente acelerada com um torque máximo na direção positiva de rotação até a velocidade atual exceder um valor limite. Subsequentemente, a máquina trifásica é acelerada com preferivelmente o torque negativo máximo na direção negativa de rotação até a velocidade atual exceder um segundo valor limite de velocidade e a aceleração novamente é realizada na direção positiva de rotação. A máquina trifásica, por conseguinte, altera ciclicamente o sinal da velocidade mecânica.

[0072] Dependendo da parametrização dos valores limites, uma grande ou pequena amplitude de controle de velocidade pode ser ajustada. A possível alteração abrupta na velocidade e direção de rotação pode ser usada, por exemplo, para desalojar depósitos em uma bomba. Assim, por exemplo, a função de reversão pode ser ativada por poucos segundos a intervalos de tempo fixos (diariamente, semanalmente, mensalmente, etc.), a fim de prevenir depósitos. A substituição demorada e cara da bomba pode ser prevenida, ou pelo menos retardada, pela função descrita.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para controlar a velocidade de uma máquina trifásica permanentemente excitada (M) tendo um dispositivo de partida suave (SS) compreendendo tiristores por meio de uma cascata de controlador, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: - calcular todos os pontos de temporização de ignição possíveis dos tiristores do dispositivo de partida suave (SS) e determinar um torque associado a cada ponto de temporização de ignição, que resulta da ignição dos tiristores em um respectivo ponto de temporização de ignição; - determinar um corredor de torque (∆Mcorridor) com base em uma regra de cálculo predeterminada, à qual uma velocidade atual (nact) e um torque de ponto de regulagem (Mset) são alimentados como variáveis de entrada; - determinar qual dos torques determinados se encontra no corredor de torque (∆Mcorridor) e determinar o ponto de temporização de ignição associado dos tiristores; - disparar os tiristores no ponto de temporização de ignição associado.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que nenhum disparo dos tiristores é realizado se nenhum torque associado vier a se encontrar no corredor de torque (∆Mcorridor) para todos os pontos de temporização de ignição possíveis.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que, em um caso no qual um número dos torques determinados se encontrar no corredor de torque (∆Mcorridor), o ponto de temporização de ignição associado ao torque, que é selecionado, é um para o qual o torque associado chega mais perto ao torque de ponto de regulagem (Mset).

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a regra de cálculo compreende um limite superior e um limite inferior, o limite superior sendo definido por uma tolerância percentual adicionada ao torque de ponto de regulagem (Mset) e o limite inferior sendo definido por uma tolerância percentual subtraída do torque de ponto de regulagem (Mset).

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a regra de cálculo compreende um limite superior e um limite inferior, o limite superior sendo definido por uma tolerância absoluta adicionada ao torque de ponto de regulagem (Mset) e o limite inferior sendo definido por uma tolerância absoluta subtraída do torque de ponto de regulagem (Mset).

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o torque de ponto de regulagem (Mset) é adaptado à característica de carga, um torque de ponto de regulagem adaptado (Mset’) sendo determinado do torque de ponto de regulagem (Mset) e da velocidade atual (nact).

7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que um torque de ponto de regulagem máximo permissível (Mset_max) é determinado da velocidade atual (nact), em particular com base em uma ou mais curvas características de torque-velocidade.

8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o torque de ponto de regulagem máximo permissível (Mset_max) é processado como uma variável de entrada para determinar o corredor de torque (∆Mcorridor), o torque de ponto de regulagem máximo permissível (Mset_max) sendo processado como o torque de ponto de regulagem (Mset).

9. Método de acordo com as reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de que o torque de ponto de regulagem adaptado (Mset’) é determinado do torque de ponto de regulagem máximo permissível (Mset_max) e do torque de ponto de regulagem (Mset).

10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o torque de ponto de regulagem adaptado (Mset’) é escolhido para ser menor que o torque de ponto de regulagem máximo permissível (Mset_max).

11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os pontos de temporização de ignição são determinados de uma tal maneira que um torque negativo seja gerado para uma reversão da direção de rotação da máquina trifásica (M).

12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os pontos de temporização de ignição são determinados de uma tal maneira que um torque positivo e um torque negativo são alternadamente gerados para mudar ciclicamente a direção de rotação da máquina trifásica (M).

13. Dispositivo de controle para uma máquina trifásica (M) tendo um dispositivo de partida suave (SS) compreendendo tiristores, caracterizado pelo fato de ser projetado para realizar o método como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 12.

14. Máquina trifásica tendo um dispositivo de partida suave, caracterizada pelo fato de que compreende um dispositivo de controle que é projetado para realizar o método como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 12 para controlar a dita máquina.