BR112021009657B1 - Método para sincronização de rede de uma máquina trifásica de ímã permanente, meio legível por computador, aparelho de controle, e, máquina trifásica - Google Patents

Abstract

MÉTODO PARA SINCRONIZAÇÃO DE REDE DE UMA MÁQUINA TRIFÁSICA DE ÍMÃ PERMANENTE, MEMÓRIA INTERNA DE UM COMPUTADOR DIGITAL, APARELHO DE CONTROLE, E, MÁQUINA TRIFÁSICA. A invenção se refere a um método para uma sincronização de rede de uma máquina trifásica permanentemente excitada (M) com um dispositivo de partida suave (SS) que compreende tiristores (24) e com contatos de desvio mecânico (26) para fazer a ponte entre os tiristores (24) na operação de rede, tendo as etapas de: a) gerar um primeiro sinal de controle (25), por meio do qual o processo de comutação dos contatos de desvio mecânico (26) para se tornarem condutores é iniciado, após um critério especificado ser atingido durante o funcionamento da máquina trifásica (M) no dispositivo de partida suave (SS), em que o ponto no tempo no qual o primeiro sinal de controle é gerado representa o tempo de atuação dos contatos de desvio (26); b) gerar pulsos de disparo para os tiristores (24) dentro de um período de tempo, que vai do tempo de atuação a um tempo de contato dos contatos de desvio (26), usando um segundo sinal de controle (21), e c) operar a máquina trifásica (M) na operação de rede através dos contatos de desvio (26). A invenção é distinguida por cada (...).

Description

[001] Uma máquina trifásica converte energia mecânica em corrente trifásica ou corrente trifásica em energia mecânica. Em princípio, pode funcionar como gerador elétrico ou como motor elétrico. A partida suave se refere a medidas de limitação de energia quando um dispositivo elétrico, por exemplo, um motor elétrico, é ligado.

[002] De acordo com o padrão IEC 60034, as máquinas trifásicas são categorizadas em diferentes classes de eficiência energética com base em sua eficiência. Precisamente na faixa de potência inferior até aproximadamente 20 kW, as eficiências legais para acionamentos elétricos podem ser cumpridas apenas com dificuldade, razão pela qual o uso de ímãs permanentes no rotor é cada vez mais procurado, por exemplo, como uma máquina síncrona de ímã permanente (PMSM).

[003] A Figura 1 mostra uma ilustração esquemática de uma tal máquina síncrona de ímã permanente M na modalidade como uma máquina de campo giratório tendo um estator St e um rotor L. O rotor compreende um polo norte magnético N e um polo sul S. O estator St compreende fases de enrolamento U, V, W. A ilustração deve ser entendida apenas a título de exemplo e não tem qualquer efeito restritivo no que diz respeito ao âmbito de proteção do objeto reivindicado.

[004] Este tipo de máquina permite altos níveis de eficiência energética, mas a partida e a operação em uma rede rígida não são facilmente possíveis.

[005] Para possibilitar isso, uma gaiola amortecedora pode ser provida no rotor da máquina; esta gaiola amortecedora permite um funcionamento confiável em uma rede rígida, mas a rede de alimentação está sujeita a correntes iniciais muito altas.

[006] Da mesma forma, a operação usando um elemento de atuação de eletrônica de potência adequado, como, por exemplo, um conversor de frequência ou um dispositivo de partida suave, é possível. Nesse caso, em particular, o uso de uma partida suave (também conhecido como dispositivo de partida suave) representa uma solução econômica para o funcionamento de uma máquina síncrona de ímã permanente em uma rede rígida. Esse dispositivo de partida suave reduz a tensão durante a ativação (por exemplo, por meio de passagem de fase) e aumenta a tensão lentamente até atingir a tensão total da linha. Essa partida suave, no entanto, muitas vezes só é possível no estado sem carga ou em uma carga baixa. No momento, no entanto, ainda não existe uma solução pronta para o mercado conhecida para isso.

[007] A dissertação do Dr. Marcel Benecke (Otto-von-Guericke- Universitat Magdeburg, 2012) intitulada “Anlauf von energieeffizienten Synchronmaschinen mit Drehstromsteller” [Starting of energy-efficient synchronous machines having three-phase AC power controllers] propõe uma solução para o funcionamento da máquina síncrona de ímã permanente usando um dispositivo de partida suave. O método proposto neste trabalho utiliza o deslocamento angular atual da máquina, e assim os motores utilizados para o trabalho precisaram ser equipados com um sistema de codificador correspondente. Um codificador é entendido como um codificador de velocidade e posição. Os ditos codificadores detectam as variáveis mecânicas de velocidade e posição. Seus sinais são necessários para fornecer valores reais ao controlador e fechar as malhas de controle de posição e velocidade existentes. Para os métodos de controle vetorial de malha fechada em drives trifásicos, os sinais de posição e velocidade também são usados como variáveis de entrada para a malha de controle de corrente. O codificador, neste caso, detecta a velocidade e/ou posição diretamente no eixo do motor.

[008] O sistema de codificador tem um efeito negativo sobre os custos e a disponibilidade do sistema, o que atualmente torna uma solução de partida suave pouco atraente para motores de alta eficiência. Por essas razões, um método para funcionamento sem codificadores é procurado.

[009] Durante a operação de uma máquina síncrona de ímã permanente usando um dispositivo de partida suave, a regulagem de velocidade seria desejável para realizar a mais ampla variedade de aplicações, mas ainda não foi possível implementá-la.

[0010] O método necessário difere dos métodos sem codificador conhecidos da técnica anterior, pois precisa ser utilizável para um controlador de tiristor e não para um conversor de frequência. Portanto, esses métodos conhecidos não são aplicáveis.

[0011] O documento DE 10 2016 204 837 A1 (Siemens AG) de 28.09.2017 descreve um método de partida para um motor elétrico em que, durante a determinação de um tempo de atuação para uma chave delta na forma de um contactor tendo um trajeto semicondutor de desvio, o tempo de atração da chave delta em si é levado em consideração. O tempo de atuação corresponde substancialmente ao tempo em que um comando de atuação correspondente atinge o interruptor delta e a atração do interruptor delta começa. O tempo de atuação é selecionado de forma que conduza o tempo de comutação desejado pela duração do tempo de atração. O contato de comutação eletromecânico pode ser desviado por um período específico com a finalidade de uma atuação rápida e temporalmente precisa.

[0012] O documento EP1677323A1 (Siemens AG) 07.05.2006 descreve um método para evitar a erosão do contato em disjuntores de baixa tensão tendo pelo menos um dispositivo de comutação semicondutor controlável e pelo menos um dispositivo de comutação eletromecânico conectado em paralelo com o dispositivo de comutação semicondutor.

[0013] O documento DE102016214419A1 (Siemens AG) 02.08.2018 descreve um dispositivo de partida suave para comutar pelo menos um trajeto de corrente principal, que em cada caso compreende um circuito de desvio com um interruptor semicondutor, em que o dispositivo de partida suave tem uma unidade de controle para atuar o circuito de desvio, e unidade de controle tem uma entrada de sinal de controle e uma entrada de sinal de segurança separada.

[0014] O objeto da invenção consiste em descrever um método para a sincronização da rede de uma máquina trifásica de ímã permanente com um dispositivo de partida suave que evita sobrecorrentes na conexão com uma rede rígida. Além disso, é o objetivo da invenção descrever uma máquina trifásica de ímã permanente sem codificadores que opera usando o método de acordo com a invenção.

[0015] Estes objetos são alcançados por um método de acordo com as características da reivindicação 1 e por um aparelho de controle e uma máquina trifásica de acordo com as características das reivindicações 10 e 11. Configurações vantajosas resultam das reivindicações dependentes.

[0016] O presente pedido descreve um método para sincronização de rede de uma máquina trifásica de ímã permanente tendo um dispositivo de partida suave compreendendo tiristores e tendo contatos de desvio mecânico para desviar os tiristores durante a operação da rede. A sincronização da rede é entendida como o tempo ou a fase no final do funcionamento da máquina trifásica durante a qual a máquina trifásica é acelerada de forma direcionada, na qual uma conexão permanente das fases da máquina trifásica máquina a uma rede de fornecimento de energia é possível e é realizada.

[0017] O método compreende a etapa de geração de um primeiro sinal de controle, por meio do qual a comutação dos contatos de desvio mecânico é iniciada, para ser preciso, uma vez que um critério pré-definido foi atingido durante o funcionamento da máquina trifásica usando o dispositivo de partida suave. O tempo de geração do primeiro sinal de controle, neste caso, representa um tempo de atuação dos contatos de desvio. O método compreende a etapa adicional de geração de pulsos de disparo para os tiristores dentro de um período de tempo, que varia do tempo de atuação a um tempo de contato dos contatos de desvio, por meio de um segundo sinal de controle, em que um respectivo pulso de disparo para um tiristor é gerado quando uma medição de corrente de fase verifica que a corrente na fase associada cai abaixo de um valor predefinido. O período de tempo mencionado é o tempo estruturalmente dependente que é necessário para o fechamento dos contatos de desvio mecânico desde o tempo de atuação (que coincide com a recepção de um comando de controle correspondente). Finalmente, o método compreende a etapa de operação da máquina trifásica durante a operação da rede por meio dos contatos de desvio. A operação da máquina trifásica através dos contatos de desvio ocorre a partir do tempo de contato, uma vez que os contatos de desvio são ligados a partir deste momento.

[0018] O método proposto permite sincronizar uma máquina trifásica de ímã permanente, que é acelerada por meio de um dispositivo de partida suave, com a rede sem que ocorram eventos de sobrecorrente ou oscilações no trem de acionamento. Em particular, o método torna possível levar em consideração um ângulo diferencial entre o ângulo da rede e o ângulo do rotor em virtude de eles serem operados pela operação paralela dos contatos de desvio e os tiristores durante a operação de ativação dos contatos de desvio. Assim que os contatos de desvio são ligados, os tiristores se autoextinguem, fazendo com que a máquina trifásica seja operada durante a operação da rede apenas por meio dos contatos de desvio. A operação paralela dos dois elementos de comutação evita as oscilações indesejadas do trem de acionamento e evita as sobrecorrentes também indesejadas.

[0019] O critério predefinido que resulta na geração do primeiro sinal de controle em particular compreende que uma velocidade da máquina trifásica atingiu uma velocidade alvo para a máquina de torque que está em um corredor de velocidade predefinido. Como resultado, pode ser assegurado que, em virtude do fechamento dos contatos de desvio, as oscilações do trem de acionamento e altas sobrecorrentes são evitadas, em que uma vez que os contatos de desvio tenham fechado, a operação de partida e, portanto, a sincronização da rede da máquina trifásica de imã permanente é concluída.

[0020] Em particular, pode-se prever que a velocidade alvo seja ligeiramente superior ou inferior à velocidade da rede. Isso garante que o ângulo da rede mude com rapidez suficiente para que uma condição angular para a sincronização da rede da máquina síncrona de ímã permanente seja atendida em tempo útil. Se a velocidade alvo fosse selecionada para ser exatamente idêntica à velocidade da rede, seria possível levar muito tempo para uma condição do ângulo de rotação ser atendida ou para não ser atendida desde o ângulo da rede e o ângulo do motor neste estado segue com o mesmo espaçamento e, portanto, o ângulo diferencial permanece virtualmente inalterado.

[0021] Uma configuração adicional prevê que o critério predefinido compreenda que o ângulo diferencial, que resulta da diferença entre o ângulo da rede e o ângulo do rotor, venha a situar-se em um corredor de ângulo diferencial predefinido. Se o ângulo diferencial e a velocidade do motor estiverem em seus respectivos corredores-alvo definidos, a máquina trifásica de ímã permanente pode ser sincronizada com a rede sem nenhuma oscilação severa no trem de acionamento ou sem que os valores máximos de corrente sejam excedidos. Os valores, tanto para o corredor alvo da velocidade quanto para o corredor alvo do ângulo, podem ser aprendidos durante a operação da máquina trifásica e durante uma multiplicidade de funcionamentos, respectivamente. Como resultado, é possível operar diferentes combinações de máquinas trifásicas e dispositivo de partida suaves entre si. Os valores “aprendidos” no processo para o ângulo diferencial e a velocidade do motor podem ser armazenados em uma memória, fazendo com que os valores já aprendidos possam continuar a ser usados para combinações semelhantes.

[0022] Uma outra configuração conveniente prevê que o critério predefinido compreende que um valor absoluto de um fluxo total, que resulta da adição de um fluxo gerado pelos ímãs permanentes e um fluxo gerado por uma gaiola amortecedora, que excede um valor de fluxo mínimo predefinido, em que o valor absoluto do fluxo total é determinado a partir das tensões do motor medidas. Em virtude da adição geométrica dos fluxos, pode haver momentos em que os fluxos da máquina estão em direções opostas, e o fluxo total resultante é consideravelmente menor do que o fluxo gerado pelos ímãs permanentes. Mesmo se, neste momento, o ângulo diferencial e a velocidade estivessem em uma constelação adequada, um evento de sobrecorrente pode surgir uma vez que o EMF traseiro da máquina trifásica seria muito baixo em comparação com a tensão da linha e, portanto, um alta corrente ocorreria (EMF = força eletromotriz). Consequentemente, é conveniente aderir adicionalmente a um valor mínimo para o valor absoluto do fluxo total que pode ser determinado pela medição das tensões do motor.

[0023] Em uma configuração adicional, o tempo de contato dos contatos de desvio pode ser um tempo, determinado usando tecnologia de medição, no qual os contatos de desvio estão ligados, por exemplo, como resultado de uma medição da queda de tensão através do desvio. Neste caso, a saída de um sinal de controle para gerar um pulso de disparo para os tiristores pode cessar. Uma outra possibilidade para determinar o tempo de contato dos contatos de desvio seria detectar uma posição de contato de um contato móvel do desvio, por exemplo por meio de um contato auxiliar. Alternativamente, o tempo de contato pode ser um tempo de duração, determinado por meio de testes, desde o tempo de atuação, em particular acrescido de uma margem de segurança. Como resultado, não é necessário determinar o período de tempo, que vai do tempo de atuação ao tempo de contato dos contatos de desvio, utilizando tecnologia de medição, mas sim o período de tempo pode ser estabelecido com antecedência, com base em valores empíricos. Em virtude da provisão de uma margem de segurança suficiente, neste caso pode sempre ser assegurado que os contatos de desvio sejam ligados antes que a condução dos tiristores cesse.

[0024] Além disso, é proposto um produto de programa de computador que pode ser carregado diretamente na memória interna de um computador digital e compreende segmentos de código de software com os quais as etapas do método aqui descrito são executadas quando o produto está em execução no computador. O produto de programa de computador pode ser incorporado na forma de um suporte de dados, por exemplo, um DVD, um CD-ROM, um stick de memória USB ou semelhante (DVD = Disco Digital Versátil; CD-ROM = Disco Compacto - Memória Somente de Leitura; a USB = Barramento Serial Universal). Da mesma forma, o produto de programa de computador pode estar presente na forma de um sinal que pode ser carregado por meio de uma rede com fio ou sem fio.

[0025] Além disso, é proposto um aparelho de controle para uma máquina trifásica tendo um dispositivo de partida suave compreendendo tiristores e tendo contatos de desvio mecânico para desviar os tiristores durante a operação da rede. O aparelho de controle é distinguido pelo fato de que é projetado para implementar o método descrito neste documento. Isto está associado às mesmas vantagens que foram descritas em ligação com o método de acordo com a invenção.

[0026] O aparelho de controle é projetado para gerar um primeiro sinal de controle, por meio do qual a ativação dos contatos de desvio mecânico é iniciada, uma vez que um critério predefinido tenha sido alcançado durante o funcionamento da máquina trifásica usando o dispositivo de partida suave, em que o tempo de geração do primeiro sinal de controle representa um tempo de atuação dos contatos de desvio. Para este propósito, o aparelho de controle pode ser conectado a um sensor, por exemplo, um tacômetro, a partir do qual o aparelho de controle recebe valores de sensor, por exemplo, valores de velocidade, por exemplo, com a unidade de rpm (= rotações por minuto) ou 1/s, relativas à velocidade atual da máquina trifásica. O aparelho de controle compara, em particular em uma unidade aritmética e lógica, por exemplo, um computador digital, processador ou ASIC, os valores do sensor recebidos com um critério predefinido, por exemplo, uma velocidade alvo, que é armazenada em uma memória do aparelho de controle, e gera o primeiro sinal de controle assim que o critério predefinido é alcançado durante o funcionamento da máquina trifásica, por exemplo, assim que a velocidade da máquina trifásica atinge uma velocidade alvo predefinida (ASIC = circuito integrado específico da aplicação ) Neste caso, a transmissão do primeiro sinal de controle do aparelho de controle para o dispositivo de partida suave pode ocorrer por meio de uma linha de sinal.

[0027] O aparelho de controle é, além disso, projetado para gerar pulsos de disparo para os tiristores dentro de um período de tempo, que varia do tempo de atuação a um tempo de contato dos contatos de desvio, por meio de um segundo sinal de controle, em que um respectivo pulso de disparo para um tiristor é gerado quando uma medição de corrente de fase verifica que a corrente na fase associada cai abaixo de um valor predefinido. Para este propósito, o aparelho de controle pode ser conectado a um sensor de corrente, por exemplo, um amperímetro de corrente de fase disposto no dispositivo de partida suave, a partir do qual o aparelho de controle recebe valores de sensor, por exemplo, valores medidos relativos à intensidade de corrente presente em uma fase. O aparelho de controle compara os valores do sensor recebidos com um valor predefinido que é armazenado em uma memória do aparelho de controle e gera o segundo sinal de controle se a intensidade da corrente na fase associada cair abaixo de um valor predefinido. Neste caso, a transmissão do segundo sinal de controle do aparelho de controle para o dispositivo de partida suave pode ocorrer por meio de uma linha de sinal.

[0028] Além disso, o aparelho de controle é projetado para operar a máquina trifásica durante a operação da rede através dos contatos de desvio. Nesse caso, a transmissão dos sinais de controle do aparelho de controle para o dispositivo de partida suave pode ocorrer por meio de uma linha de sinal.

[0029] Além disso, é proposta uma máquina trifásica com um dispositivo de partida suave compreendendo tiristores e tendo contatos de desvio mecânicos para desviar os tiristores durante a operação da rede. A dita máquina trifásica é projetada para implementar o método descrito neste documento, como resultado do qual a sincronização da rede da máquina trifásica de ímã permanente em relação a uma rede de fornecimento de energia é possível.

[0030] A invenção será explicada em mais detalhes abaixo com referência às figuras: a Fig. 1 mostra uma seção através de uma máquina trifásica exemplificativa; a Fig. 2 mostra uma ilustração esquemática da concepção de acordo com a invenção; a Fig. 3 mostra um fluxograma do método de acordo com a invenção; as Fig. 4 e 5 mostram as características de tempo da velocidade e das correntes de fase de duas medições diferentes de uma sincronização de rede; e a Fig. 6 mostra uma ilustração esquemática de um aparelho de controle.

[0031] A Figura 2 mostra o projeto básico desejado da máquina trifásica M, que está na forma de uma máquina síncrona de ímã permanente, tendo um dispositivo de partida suave SS (por exemplo, um dispositivo de partida suave Sirius) sem um codificador (à direita), em contraste com uma máquina trifásica M tendo um dispositivo de partida suave SS (por exemplo, um dispositivo de partida suave Sirius) e tendo um codificador G conectado à máquina trifásica M (à esquerda). Conforme descrito no início, a máquina trifásica pode ser, por exemplo, na forma de uma máquina de campo rotativo tendo um estator St e um rotor L. O rotor L compreende um polo norte magnético N e um polo sul S. o estator St compreende as fases de enrolamento U, V, W. O rotor L pode ser conectado, por exemplo, de forma fixa rotacional (ou por meio de um mecanismo de engrenagem), a um eixo (não ilustrado), que está sujeito a uma carga externa com uma entrada torque constante particular.

[0032] Com o auxílio do método proposto pelo Requerente em WO 2018/086688 A1 (Siemens AG) 17.05.2018, é realizado o cálculo dos tempos de disparo dos tiristores do dispositivo de partida suave SS, com o qual um codificador pode ser dispensado com. O método de partida sem codificador é baseado na consideração de que, quando os tiristores são disparados pela primeira vez, a máquina trifásica (também: o motor) é acelerada com o torque máximo possível. Isso tem o objetivo de garantir que o motor, após o disparo inicial, já tenha excedido uma determinada velocidade mínima e, portanto, as tensões induzidas podem ser medidas com precisão suficiente durante o tempo de desligamento relacionado ao princípio dos tiristores. Então de acordo com os chamados métodos de EMF já conhecidos, o ângulo elétrico do motor pode ser determinado a partir das tensões induzidas e usado para o método de Benecke (da dissertação acima citada). Além disso, durante um disparo bifásico, a tensão da terceira fase pode ser medida diretamente e levada em consideração na avaliação.

[0033] Como os motores que usam dispositivos de partida suave, também chamados de partidas suaves, geralmente acionam cargas passivas com características de carga linear ou quadrada, o torque é usado no disparo inicial quase completamente para acelerar a massa lenta. Nesta medida, pode- se assumir que a aceleração durante o disparo inicial é suficiente e as tensões induzidas podem ser medidas com precisão suficiente. Durante a medição das tensões, pode-se utilizar o sistema de sensores de medição que está presente em todos os casos no dispositivo de partida suave. O método, portanto, não requer nenhum hardware adicional.

[0034] O método de partida sem codificador compreende duas etapas.

Etapa 1: Determinação do ângulo de disparo ideal:

[0035] Uma vez que o método para o alinhamento inicial da máquina tenha sido concluído, o ângulo atual do motor é conhecido. Com base neste ângulo de partida conhecido de acordo com o método acima mencionado, pode-se calcular o ângulo de disparo do dispositivo de partida suave no qual o torque gerado no motor é máximo para uma dada corrente máxima. Para desenvolver um torque tão alto quanto possível durante o disparo inicial dos tiristores, a corrente máxima permitida durante o disparo inicial é definida como a corrente máxima permitida para os semicondutores de potência.

[0036] Durante o cálculo do ângulo de disparo ótimo, em geral a característica do ângulo de rotação e da velocidade também é levada em consideração durante o disparo dos tiristores, mas estes não são conhecidos no cálculo do ângulo de disparo. Por este motivo, o ângulo de disparo ideal para o disparo inicial deve ser determinado com antecedência como parte de um método de configuração para o drive.

Etapa 2: Mudança para o método de EMF:

[0037] Uma vez que a máquina síncrona de ímã permanente foi acelerada pelo disparo inicial, as tensões induzidas pela rotação da máquina são suficientemente altas para poderem ser medidas durante a fase desligada dos tiristores. Então, por exemplo por meio de um observador ou por meio de um cálculo simples da tangente do arco, o ângulo de fluxo da máquina pode ser determinado a partir das tensões medidas. Da mesma forma, é concebível determinar o ângulo de rotação apenas com base nas tensões de excitação, nas correntes medidas e nas equações da máquina, ou seja, com o auxílio de uma descrição de cálculo.

[0038] Independentemente da abordagem selecionada, nos casos mencionados, vários métodos já são conhecidos no campo da regulação sem codificador e podem ser usados esses métodos. O ângulo de fluxo determinado pelo método de EMF é usado para o método de Benecke como valor real e, a partir dele, é determinado o próximo ângulo de disparo ideal durante a rotação da máquina.

[0039] Com o método mencionado acima, o motor M é acelerado de forma direcionada. O dispositivo de partida suave SS possui, além dos tiristores que são usados para a aceleração, elementos de desvio (não ilustrados em mais detalhes), que são usados para desviar os tiristores na conclusão da partida do motor para sincronização da rede. Os elementos de desvio representam elementos de comutação eletromecânicos, por exemplo, um contactor de rede ou um relé. Utilizando estes elementos de desvio, o motor M é então conectado de forma fixa à rede, com o que a operação de partida é finalmente concluída. No caso de uma máquina assíncrona, esta operação pode ser realizada de forma simples: se for atingida uma velocidade nominal predefinida, os elementos de desvio podem ser fechados e a operação de partida concluída. A máquina assíncrona não experimenta eventos de sobrecorrente ou oscilações no trem de acionamento. No caso da máquina trifásica de ímã permanente, também é conveniente levar em consideração pelo menos o ângulo diferencial entre o ângulo da rede e o ângulo do rotor, a fim de evitar oscilações severas do trem de acionamento e grandes sobrecorrentes. O procedimento selecionado aqui é descrito abaixo.

[0040] Os elementos de desvio são elementos de comutação mecânicos que requerem um tempo estruturalmente relacionado para serem fechados. O intervalo de tempo entre a ativação e o fechamento real (isto é, ligar) dos contatos é de alguns milissegundos e é conhecido como tempo de retardo. Isso significa que cerca de um ou mais períodos de rede passam até que ocorra a resposta à demanda de fechamento na forma de recepção de um primeiro sinal de controle. Uma vez que neste momento a velocidade e o ângulo diferencial já podem ter mudado acentuadamente, este atraso para a conexão direcionada não é aceitável. Para desviar o tempo de atraso, os tiristores do dispositivo de partida suave são usados junto com a medição da corrente de fase. Se o comando de conexão ocorrer (como consequência da recepção do primeiro sinal de controle), a ativação dos tiristores do dispositivo de partida suave ocorre de tal forma que um respectivo tiristor do dispositivo de partida suave SS recebe uma série de pulsos de disparo sempre que o valor absoluto da corrente na respectiva fase cair abaixo de um valor definido. A saída dos pulsos de disparo só termina quando um valor de corrente é determinado no qual o fechamento dos contatos de desvio pode ser considerado seguro. Isso pode ser estabelecido por meio de tecnologia de medição ou por meio de um tempo pré-determinado, opcionalmente considerando uma margem de segurança. Durante a operação paralela dos tiristores e dos elementos de desvio, os tiristores são disparados de forma quase permanente, o que, em termos de comportamento, chega perto de um elemento de desvio fechado. Uma vez garantido o fechamento dos elementos de desvio, os tiristores não são mais disparados. Este procedimento permite a conexão à rede de fato sem atraso para o motor M e forma a base para a sincronização de rede desejada do motor M.

[0041] Para que o motor M possa ser conectado à rede elétrica sem que isso resulte em fortes oscilações no trem de acionamento ou em valores máximos de corrente sendo excedidos, o ângulo diferencial e a velocidade do motor devem estar cada um dentro de um corredor alvo. Os valores, tanto para o corredor de destino para a velocidade quanto para o corredor de destino para o ângulo diferencial, podem ser gerados de várias maneiras. O ideal é um ângulo tão pequeno quanto possível entre o ângulo do rotor e o ângulo da rede, em que o ângulo diferencial é uma consequência do carregamento do rotor do motor.

[0042] Em primeiro lugar, o dispositivo de partida suave SS pode se conectar de forma independente a qualquer momento desejado e estabelecer retrospectivamente, por meio de medições de corrente interna, se o tempo de conexão é um tempo de conexão adequado para o motor. Como resultado da conexão dada a diferentes constelações de ângulo/velocidade, é produzida uma visão geral das combinações possíveis a partir das quais é possível desviar um corredor para o ângulo diferencial e a velocidade do motor em que os limites predefinidos são respeitados. Uma vez que, devido a esse processo iterativo, os valores-limite também são excedidos com mais frequência, um algoritmo requer um tempo de “aprendizado” até que funcione de forma confiável. O resultado pode ser melhorado em virtude do fato de que, em princípio, combinações inadequadas podem ser descartadas desde o início. Outra possibilidade consiste em realizar simulações para um tipo de motor conectado a partir do qual desviam os corredores para o ângulo de rotação e a velocidade. Esses parâmetros desviados podem, então, ser selecionados em um dispositivo de partida suave associado ou podem ser comunicados ao dito dispositivo de partida suave retrospectivamente por meio de um serviço de nuvem, por exemplo. Isso permite o fornecimento retrospectivo de conjuntos de parâmetros, dependendo dos requisitos do cliente e combinações de tipo de motor e dispositivo de partida suave.

[0043] Para uma sincronização de rede segura, a seleção de um valor de velocidade adequado deve ser levada em consideração. Em contraste com o dispositivo de partida suave SS para máquinas assíncronas, convenientemente a velocidade da rede não é selecionada aqui como valor alvo, mas uma velocidade que é ligeiramente superior ou ligeiramente inferior à velocidade da rede. Isso garante que o ângulo da rede mude com rapidez suficiente para que a condição angular para a conexão do motor seja atendida em tempo hábil. Se a velocidade for selecionada para ser precisamente idêntica à velocidade da rede, pode ocorrer que demore muito para que a condição do ângulo de rotação seja satisfeita ou a condição do ângulo de rotação não seja satisfeita, uma vez que o ângulo da rede e o ângulo do motor seguem com o mesmo espaçamento neste estado e, portanto, o ângulo diferencial permanece virtualmente inalterado.

[0044] As propriedades da máquina trifásica de ímã permanente com gaiola de amortecimento resultam em outra condição que deve ser levada em consideração. No caso de um motor com gaiola de amortecimento, o fluxo gerado pelos ímãs permanentes e o fluxo gerado pela gaiola de amortecimento são somados geometricamente. Como resultado da adição geométrica dos fluxos, pode haver momentos em que os fluxos da máquina são direcionados em direções opostas e o fluxo total resultante é significativamente menor do que o fluxo gerado pelos ímãs permanentes. Mesmo se neste momento o ângulo diferencial e a velocidade estivessem em uma constelação perfeita, isso resultaria em um evento de sobrecorrente, uma vez que o EMF traseiro do motor seria muito baixo em comparação com a tensão da linha e, portanto, um valor de corrente alto ocorreria. Consequentemente, além disso, um valor mínimo para o valor absoluto do fluxo total precisa ser respeitado, o qual pode ser determinado pela medição das tensões do motor.

[0045] A Figura 3 mostra um fluxograma do método de acordo com a invenção. Na etapa S1, um primeiro sinal de controle é gerado, por meio do qual a ativação dos contatos de desvio mecânico é iniciada, para ser preciso, uma vez que um critério predefinido foi alcançado durante o funcionamento da máquina trifásica usando o dispositivo de partida suave, em que o tempo de geração do primeiro sinal de controle representa um tempo de atuação dos contatos de desvio. O primeiro critério compreende uma velocidade da máquina trifásica e/ou um ângulo diferencial e/ou um valor absoluto do fluxo total, que resulta da adição de um fluxo gerado pelos ímãs permanentes e um fluxo gerado por uma gaiola amortecedora. Na etapa S2, a geração de pulsos de disparo para os tiristores ocorre dentro de um período de tempo, que varia do tempo de atuação a um tempo de contato dos contatos de desvio, por meio de um segundo sinal de controle, em que um respectivo pulso de disparo para um tiristor é gerado quando uma medição de corrente de fase verifica que a corrente na fase associada cai abaixo de um valor predefinido. Na etapa S3, uma operação da máquina trifásica durante a operação da rede através dos contatos de desvio ocorre uma vez que o período de tempo é concluído.

[0046] As Figuras 4 e 5 mostram as características de tempo da velocidade nm da máquina trifásica M e das correntes de fase IU, V, W das três fases U, V, W durante a operação de funcionamento e sincronização da rede. Neste caso, a figura 4 mostra o comportamento da ligação de acordo com a técnica anterior em que ocorre uma sobrecorrente, em que este tempo ocorre pouco antes de ser atingida uma velocidade alvo de nm ~ 1500 rpm. No gráfico I/t, o tempo de sincronização da rede e a ocorrência da sobrecorrente são visualizados por meio de uma marcação elétrica. Em contraste com isso, pode ser facilmente visto a partir dos gráficos na figura 5 que, no caso da sincronização da rede com o auxílio do método de acordo com a invenção, quando a velocidade alvo (nm ~ 1500 rpm) é atingida, o as correntes de fase não têm ultrapassagens durante a sincronização da rede. A parte correspondente no gráfico I/t é novamente marcada por uma elipse.

[0047] A Figura 6 mostra um dispositivo de partida suave SS, que está conectado a três trajetos de corrente principais (condutores de fase) 12, 14, 16 de uma fonte de tensão de CA com três fases U, V, W da máquina trifásica M. No dispositivo de partida suave SS, um circuito 20, que em cada caso compreende um comutador semicondutor 22 e um contato de desvio eletromecânico 26 para desviar o comutador semicondutor 22 durante a operação de rede, está associado a cada um dos principais percursos de corrente 12, 14, 16. O comutador semicondutor 22 tem a forma de um par de tiristores 24 dispostos costas com costas em paralelo. O contato de desvio eletromecânico 26 tem a forma de um relé. Cada um dos comutadores semicondutores 22 e os contatos de desvio eletromecânico 26 são conectados a um aparelho de controle 40, que controla o dispositivo de partida suave SS durante a operação. O aparelho de controle 40 pode ser integrado no alojamento do dispositivo de partida suave SS ou pode ser acomodado em um alojamento separado. Os contatos de desvio eletromecânico 26 são fechados durante a operação de rede da máquina trifásica M e os comutadores semicondutores 22 estão abertos. O aparelho de controle 40 tem uma memória 82, na qual um produto de programa de computador 80 é armazenado. O aparelho de controle 40 tem uma unidade aritmética e lógica 84, por exemplo, um computador digital, processador ou ASIC, que pode executar o produto de programa de computador 80 armazenado na memória 82. O produto de programa de computador 80 é projetado, inter alia, para implementar controle de ativação de fase ou controle de interrupção de fase por meio dos comutadores semicondutores 22.

[0048] Além disso, um meio de medição 27, que está na forma de um transdutor de medição 28 e é projetado para detectar e/ou medir um fluxo de corrente IU, V, W em um dos principais trajetos de corrente 12, 14, 16, está associado com cada trajeto de corrente principal 12, 14, 16. Cada um dos meios de medição 27 é acoplado ao aparelho de controle 40 por meio de uma entrada de sinal de medição 41. O produto de programa de computador 80 no aparelho de controle 40 é projetado para receber e avaliar uma variável operacional detectada pelos meios de medição 27, isto é, inter alia, o fluxo de corrente IU, V, W nos trajetos de corrente principais 12, 14, 16.

[0049] Além disso, o aparelho de controle 40 é provido com uma entrada de sinal de sensor 44, por meio da qual os sinais de sensor 54 são recebidos. Os sinais do sensor 54 são gerados por um tacômetro 46, que está localizado na ou sobre a máquina trifásica M e detecta a velocidade nm da máquina trifásica M.

[0050] O aparelho de controle 40 é projetado para enviar primeiros sinais de controle 25 para iniciar a ativação dos contatos de desvio eletromecânico 26 para os contatos de desvio eletromecânico 26 e segundos sinais de controle 21 na forma de pulsos de disparo para os interruptores semicondutores 22.

[0051] O aparelho de controle 40 gera um primeiro sinal de controle 25, por meio do qual a ativação dos contatos de desvio mecânico 26 é iniciada uma vez que um critério predefinido durante o funcionamento da máquina trifásica M usando o dispositivo de partida suave SS foi alcançado, em que o tempo de geração do primeiro sinal de controle 25 representa um tempo de atuação dos contatos de desvio 26. Para tanto, o aparelho de controle 40 é conectado ao tacômetro 46, que está disposto na máquina trifásica M, por meio de uma linha de sinal 48, a partir da qual tacômetro o aparelho de controle 40 recebe valores de velocidade com a unidade de rpm, relativos ao presente velocidade nm da máquina trifásica M. O aparelho de controle 40 compara os valores de velocidade recebidos com uma velocidade alvo que é armazenada na memória 82 do aparelho de controle 40 e gera o primeiro sinal de controle 25 assim que a velocidade nm de a máquina trifásica M atingiu a velocidade alvo predefinida. Neste caso, a transmissão dos primeiros sinais de controle 25 do aparelho de controle 40 para os contatos de desvio mecânico 26 do dispositivo de partida suave SS ocorre por meio de uma linha de controle.

[0052] O aparelho de controle adicionalmente gera pulsos de disparo para os tiristores 24 dentro de um período de tempo, que varia do tempo de atuação a um tempo de contato dos contatos de desvio 26, por meio de um segundo sinal de controle 21, em que um pulso de disparo respectivo para um tiristor 24 é gerado quando uma medição de corrente de fase verifica que a corrente IU, V, W em uma fase associada U, V, W cai abaixo de um valor predefinido. Para este propósito, o aparelho de controle 40 é conectado por meio de uma linha de sinal aos meios de medição 27 na forma de transdutores de medição 28, a partir dos quais o aparelho de controle 40 recebe valores medidos relativos à presente intensidade de corrente IU, V, W em uma fase U, V, W. O aparelho de controle 40 compara os valores medidos de corrente de fase recebidos, corrente IU, V, W com um valor predefinido correspondente que é armazenado na memória 82 do aparelho de controle 40 e gera o segundo sinal de controle 21 quando a corrente na fase associada U, V, W cai abaixo de um valor predefinido. Neste caso, a transmissão do segundo sinal de controle 21 do aparelho de controle 40 para os comutadores semicondutores 22 do dispositivo de partida suave SS ocorre por meio de uma linha de controle.

[0053] Além disso, o aparelho de controle 40 opera a máquina trifásica M durante a operação da rede através dos contatos de desvio eletromecânico 26. Neste caso, a transmissão dos sinais de controle do aparelho de controle 40 para os contatos de desvio 26 do dispositivo de partida suave SS ocorre por meio de uma linha de controle.

Lista dos Símbolos de Referência

[0054] 12 primeiro trajeto de corrente principal, condutor de fase 14 segundo trajeto de corrente principal, condutor de fase 16 terceiro trajeto de corrente principal, condutor de fase 20 circuito 21 sinal de controle de segundos, comando de disparo 22 comutador semicondutor 24 tiristor 25 primeiro sinal de controle 26 contato de desvio eletromecânico 27 meios de medição 28 transdutor de medição 40 aparelhos de controle 41 entrada de sinal de medição 44 entrada de sinal do sensor 46 tacômetro 48 linha de sinal 54 sinal do sensor 80 programa 82 memória 84 unidade aritmética e lógica G Codificador IU, V, W Corrente de fase L rotor M máquina trifásica N polo norte nm velocidade S polo sul SS dispositivo de partida suave St Estator S1 Etapa 1 S2 Etapa 2 S3 Etapa 3 t hora U fase, fase de enrolamento V fase, fase de enrolamento W fase, fase de enrolamento

Claims (14)

1. Método para sincronização de rede de uma máquina trifásica de ímã permanente (M) tendo um dispositivo de partida suave (SS) compreendendo tiristores (24) e tendo contatos de desvio mecânico (26) para desviar os tiristores (24) durante a operação da rede, o método compreendendo as seguintes etapas: gerar um primeiro sinal de controle (25), a ativação dos contatos de desvio mecânico (26) sendo iniciada pelo primeiro sinal de controle (25) uma vez que um critério predefinido tenha sido alcançado durante o funcionamento da máquina trifásica (M) de ímãs permanentes usando o dispositivo de partida suave (SS), um tempo de geração do primeiro sinal de controle representando um tempo de atuação dos contatos de desvio mecânico (26); gerar, por meio de um segundo sinal de controle (21), pulsos de disparo para os tiristores (24) dentro de um período de tempo, que varia do tempo de atuação a um tempo de contato dos contatos de desvio mecânico (26), e operar a máquina trifásica (M) de ímãs permanentes durante a operação da rede por meio dos contatos de desvio mecânico (26), caracterizado pelo fato de que um respectivo pulso de disparo para um respectivo tiristor dos tiristores (24) é gerado quando uma medição de corrente de fase revela que uma intensidade de corrente (IU, V, W) em uma fase associada (U, V, W) cai abaixo de um valor de limite.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o atingimento do critério predefinido inclui uma velocidade (nm) da máquina trifásica (M) de ímãs permanentes atingindo uma velocidade alvo para a máquina trifásica (M) de ímas permanentes em um corredor de velocidade.

3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a velocidade alvo é superior ou inferior à velocidade da rede.

4. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o tempo de contato é um tempo, determinado pelo uso de tecnologia de medição, no qual os contatos de desvio mecânico (26) estão ligados.

5. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o tempo de contato é um período de tempo, determinado por testes, desde o tempo de atuação, acrescido de uma margem de segurança.

6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o critério inclui um ângulo diferencial, que resulta de uma diferença entre um ângulo da rede e um ângulo do rotor, que se situa em um corredor de ângulo diferencial.

7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dentre um respectivo corredor de velocidade e o corredor de ângulo diferencial é aprendido durante uma respectiva operação da máquina trifásica (M) de ímãs permanentes e durante uma multiplicidade de funcionamentos.

8. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o critério inclui um valor absoluto de um fluxo total, que resulta da adição de um fluxo gerado pelos ímãs permanentes da máquina trifásica (M) de ímãs permanentes e um fluxo gerado por uma gaiola amortecedora, excedendo um valor de fluxo mínimo, e em que o valor absoluto do fluxo total é determinado a partir das tensões do motor medidas.

9. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tempo de contato é um tempo, determinado usando tecnologia de medição, no qual os contatos de desvio mecânico estão ligados.

10. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tempo de contato é um período de tempo, determinado por testes, desde o tempo de atuação, acrescido de uma margem de segurança.

11. Aparelho de controle (40) para uma máquina trifásica (M) tendo um dispositivo de partida suave (SS) incluindo tiristores (24) e tendo contatos de desvio mecânico (26) para desviar os tiristores (24) durante a operação da rede, o aparelho de controle sendo projetado para implementar pelo menos: gerar um primeiro sinal de controle (25), a ativação dos contatos de desvio mecânico (26) sendo iniciada pelo primeiro sinal de controle (25) uma vez que um critério predefinido tenha sido alcançado durante o funcionamento da máquina trifásica (M) de ímãs permanentes usando o dispositivo de partida suave (SS), um tempo de geração do primeiro sinal de controle representando um tempo de atuação dos contatos de desvio mecânico (26); gerar, por meio de um segundo sinal de controle (21), pulsos de disparo para os tiristores (24) dentro de um período de tempo, que varia do tempo de atuação a um tempo de contato dos contatos de desvio mecânico (26), e operar a máquina trifásica (M) durante a operação da rede por meio dos contatos de desvio mecânico (26), caracterizado pelo fato de que um respectivo pulso de disparo para um respectivo tiristor dos tiristores (24) é gerado quando uma medição de corrente de fase revela que uma intensidade de corrente (IU, V, W) em uma fase associada (U, V, W) cai abaixo de um valor de limite.

12. Aparelho de controle (40) de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende - uma entrada de sinal de sensor (44) para receber um valor medido de uma variável operacional (nm) da máquina trifásica (M); - uma entrada de sinal de medição (41) para receber valores medidos da intensidade de corrente (IU, V, W) a partir de uma medição de corrente de fase nas fases associadas (U, V, W); - uma memória (82) para armazenar um valor predefinido para uma comparação com os valores medidos da intensidade da corrente (IU, V, W), e - uma unidade aritmética e lógica (84) para estabelecer, com base no valor medido recebido da variável operacional (nm), se o critério predefinido foi alcançado durante o funcionamento da máquina trifásica (M), para estabelecer, com base nos valores medidos recebidos da intensidade da corrente (IU, V, W), se a intensidade da corrente (IU, V, W) na fase associada (U, V, W) cai abaixo do valor predefinido, e para gerar o primeiro (25) e o segundo (21) sinais de controle.

13. Máquina trifásica (M) tendo: um dispositivo de partida suave (SS) incluindo tiristores (24); contatos de desvio mecânico (26) para desviar os tiristores (24) durante a operação da rede, e caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: o aparelho de controle (40) como definido na reivindicação 11 ou 12 para controle de máquina trifásica.

14. Meio legível por computador (82) caracterizado pelo fato de que compreende conjunto de instruções que, quando executadas por um computador digital (40), faz com que o computador digital (40) realize as etapas do método como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10.