BRPI0810241B1 - método para controlar a partida de um motor síncrono com um excitador de corrente direta sem escova e sistema para controlar a partida do motor síncrono - Google Patents
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Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO PARA CONTROLAR A PARTIDA DE UM MOTOR SÍNCRONO COM UM EXCITADOR DE CORRENTE DIRETA SEM ESCOVA E SISTEMA PARA CONTROLAR A PARTIDA DO MOTOR SÍNCRO-NO".
REFERÊNCIA CRUZADA COM PEDIDO RELACIONADO
[001] Esse pedido reivindica o benefício de prioridade do pedido de patente provisório US N° 60/913.128, depositado em 20 de abril de 2007.
ANTECEDENTES
[002] Muitas máquinas síncronas, tais como motores projetados para serem iniciados com um soft-starter de tiristor, têm ou usam um excitador de corrente direta (CC) sem escova. O excitador é usado para auxiliar a superar a inércia associada à aceleração do rotor a partir de uma posição de repouso para a velocidade total.
[003] Em várias situações, é desejável operar um motor síncrono com um excitador de CC sem escova com uma voltagem média, controlador de acionamento de frequência variável (VFD) tal como aqueles descritos na patente US N° 5.625.545 para Hammond. Um controlador de motor de voltagem média VFD fornece uma corrente inicial exigida para dar a partida de um motor síncrono com excitador de CC sem escova embora evitando uma queda na voltagem de suprimento da instalação. No entanto, para operação sem uma exigência de um sensor de velocidade, um motor síncrono com um excitador de CC sem escova deve ser sincronizado antes de uma carga significante ser aplicada. De outro modo, a máquina pode deslizar um pólo e fazer com que o fluxo diminua rapidamente, causando algumas vezes uma perda de controle de velocidade. Dessa maneira, pode ser difícil usar um VFD sem um sensor de velocidade para iniciar um motor síncrono tendo um excitador de CC sem escova.
[004] Uma opção para superar essa dificuldade foi substituir o excitador de CC com um excitador de corrente alternada (CA) de modo que a excitação pode ser aplicada na partida. No entanto, em muitas situações esse curso de ação pode ser mecanicamente difícil, já que ele exige substituição de uma parte em locais muitas vezes de difícil acesso.
[005] A descrição contida aqui descreve tentativas para solucionar um ou mais dos problemas listados acima.
SUMÁRIO
[006] Esse documento descreve um método de partida sem a exigência de um sensor de velocidade em que uma máquina síncrona, tendo um excitador de CC sem escova, pode ser iniciada como um motor de indução e, em velocidade transitória particular, pode ser comutada para uma operação de motor síncrono.
[007] Mediante operação sem a exigência de um sensor de velocidade, ao contrário de motores síncronos com um excitador da CA, os motores síncronos com um excitador de CC sem escova exigem uma diferente estratégia de dar partida para tracionar o motor para sincronização. No método descrito desse documento, um VFD pode iniciar essa operação girando-se o rotor do motor em uma maneira assíncro-na. Uma vez que o rotor é girado, o acionador pode tracionar o motor em sincronismo e transição para controle do motor síncrono normal.
[008] Em uma modalidade, o motor pode ser iniciado como um motor de indução através da aplicação de uma corrente magnetizada para construir fluxo através do estator, com a corrente de campo ajustada no máximo permissível de corrente do estator do excitador (isto é, a corrente que irá causar uma corrente sem carga calculada no campo principal na velocidade de transição). As correntes do estator do motor serão mantidas em um valor que permite que o motor gere suficiente torque eletromagnético para superar qualquer atrito não estático. Em uma velocidade de transição específica, ou depois de um período de tempo, o acionador irá iniciar uma transição do controle do motor de indução para o controle do motor síncrono através da remoção da corrente magnetizada inicial, e uma corrente de campo é então aplicada ao motor através do excitador de CC. Uma vez que essa transição está completa, o acionador pode ascender para a demanda de velocidade desejada.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[009] A Figura 1 é um diagrama em bloco de um VFD controlando um motor assíncrono.
[0010] A Figura 2 é um diagrama em bloco de um método de controle de motor.
[0011] A Figura 3 é um diagrama de sincronização de uma operação de um VFD para controlar um motor síncrono com um excitador de CC sem escova.
[0012] A Figura 4 é um diagrama em bloco descrevendo como podem ser determinados os valores de referência de corrente de magne-tização (Ids) e de referência de corrente de campo (Icampo).
[0013] A Figura 5 ilustra um exemplo de corrente de magnetização inicial e corrente de alimentação (FF) do motor síncrono como uma função de tempo.
[0014] A Figura 6 é um diagrama em bloco que ilustra componentes de um acionador de frequência variável exemplar.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[0015] Antes dos presentes métodos serem descritos, é para ser entendido que essa invenção não é limitada aos sistemas, metodologias ou protocolos particulares descritos, e estes podem variar. É também para ser entendido que a terminologia usada aqui é para o propósito somente de descrever modalidades particulares, e não é pretendida limitar o escopo da presente descrição.
[0016] Como usado aqui e nas reivindicações em anexo, as formas "um", "uma" e "o", "a" no singular incluem referência no plural, a não ser que o contexto claramente dite de outro modo. A não ser que de outro modo definido, todos os termos técnicos e científicos usados aqui têm os mesmos significados como comumente entendidos pelo versado na técnica. Como usado aqui, o termo "compreendendo" significa "incluindo, mas não limitado a".
[0017] A Figura 1 ilustra uma configuração exemplar para um aci-onador de frequência variável (VFD) 100, excitador de corrente direta (CC) sem escova 120 e motor síncrono 110. Como ilustrado na Figura 1, o VFD 100 pode ser conectado para distribuir energia para o motor de estator 110. Especificamente, o VFD 100 fornece uma corrente de magnetização inicial (Ids), uma corrente de campo inicial (Icampo) e uma corrente de torque inicial (Iqs) ao motor 110. Essas três correntes são discutidas em mais detalhes com respeito à Figura 2 e à Figura 3 abaixo. O motor 110 pode incluir um circuito de proteção 112 que inclui tiristores, diodos Zener, resistores e/ou outros dispositivos para proteger o(s) enrolamento(s) de campo 114 do motor. O motor 110 também pode incluir um retificador 116 que é eletricamente conectado ao lado de saída do excitador de CC sem escova 120. Um regulador de energia baseado em tiristor 140 pode suprir energia de CC de uma fonte de energia 150 para um lado de entrada do excitador 120. O regulador 140 pode receber comandos de controle do controlador VFD 100.
[0018] A Figura 2 ilustra um método de usar uma partida de controle de um motor síncrono com um excitador de CC sem escova em formato de diagrama em bloco. A Figura 3 ilustra o método na forma de um diagrama de sincronização, e a discussão abaixo pode se referir à Figura 2 e à Figura 3. O método pode ser usado para iniciar um motor síncrono que tem um excitador de CC sem escova. É descrito abaixo um diagrama de sincronização da operação do acionador de VFD para uma modalidade do método de partida.
[0019] Com referência à Figura 3, um motor síncrono pode estar em repouso ou em um estado ocioso 310 quando um comando para iniciar o motor usando um VFD é expedido. Alguma ou todas as etapas subsequentes podem ser executadas independentes da demanda de velocidade. Durante um estado de magnetização inicial 320, o VFD aplica a corrente inicial magnetizada (Ids) especificada 351 para desenvolver o fluxo 350 através do estator, enquanto a frequência de saída é mantida em zero. Uma corrente de campo (Icampo) 352 é aplicada ao excitador de CC através do VFD durante esse período de tempo, e durante o estado de magnetização 320 o Icampo 352 é mantido em um valor constante que é não mais do que ou igual ao máximo permissível de corrente do estator do excitador.
[0020] Depois do estado de magnetização (por exemplo, em um momento quando a referência de fluxo para de aumentar), o estado de operação 330 começa. O estado de operação 330 pode ser dividido em períodos de tempo certos, incluindo um estado de alto torque de partida 331 e um tempo de transição para a mudança de estado para o controle do motor síncrono 332. No estado de alto torque de partida 331, o acionador ascende a frequência de saída de modo que a velocidade do motor 353 alcance a velocidade de deslize calculada embora aumentando o componente de torque (Iqs) 353 de corrente para o ajuste no menu do modo de alto torque de partida que permite que o motor gere suficiente torque eletromagnético para superar qualquer atrito não estático. Isto, junto com a aplicação de corrente inicial mag-netizada (Ids) ao estator do motor trata o motor como se ele fosse um motor de indução.
[0021] No estado de alto torque de partida 331, o acionador mantém essa corrente de torque 353 e a frequência 353 por uma duração de tempo igual a um tempo de permanência do fluxo 321. Durante es- se período o motor deve produzir suficiente torque que forçaria o rotor a se mover (ou oscilar mediante condição de carga). Depois do tempo de permanência do fluxo 321, o controle aumenta a velocidade do motor 354 do deslize calculado para a velocidade mínima enquanto mantendo a corrente do estator.
[0022] O acionador então termina o estado de alto torque de partida 331 possibilitando uma malha de captura de fase (PLL) e esperando por um período de tempo, que pode ser estabelecido por um parâmetro de Tempo de Aquisição de PLL 323. Durante esse período o PLL adquire fluxo e frequência do motor.
[0023] Depois do Tempo de Aquisição de PLL 323 ter transcorrido, o controle de acionador se move para um tempo de transição 333 para mudança de estado para controle do motor síncrono. Durante esse período, o acionador reduz ligeiramente a corrente do torque 353 (isto é, para 90% do ajuste do menu) e fecha a malha de velocidade. A malha de velocidade pode agora receber retroalimentação de velocidade do motor 354 e pode tentar regular o componente de torque (Iqs) da corrente do motor.
[0024] Depois de um período de tempo (por exemplo, um segundo), a malha do fluxo pode ser habilitada. A malha do fluxo irá agora receber a retroalimentação no fluxo 350 e irá tentar regular a corrente de magnetização (Ids) 351 e a corrente de campo (Icampo) 352.
[0025] Assim que a corrente de magnetização (Ids) é reduzida a zero, não haverá nenhuma corrente de campo principal de carga (Icam-po) 352 e o controle estará sincronizado. A partir desse ponto, o acio-nador pode operar em um modo de controle do motor síncrono normal 334. O acionador estará pronto para ascender a demanda de velocidade desejada como determinado por especificações do cliente ou uma carga aplicada.
[0026] O movimento entre quaisquer períodos de tempo listados acima (por exemplo, o estado de magnetização 320, o tempo de ascendência do fluxo 321, o tempo de Aquisição do PLL 323, e os outros períodos de tempo descritos acima) para o seguinte pode ser controlado por um ajuste de cronômetro para mover de um estado para um outro. O tempo pode ter um período de tempo predeterminado para cada estado, ou períodos de tempo podem variar entre estados. Alternativamente, mudanças de um período para o próximo podem ser controladas com base na medição em tempo real da condição real do motor.
[0027] A Figura 2 é um diagrama em bloco de elementos exempla- res de um sistema de controle. A Figura 2 mostra que durante o estado de magnetização, os componentes do sistema de controle 210 podem ser operados em operação de malha aberta de modo que somente um regulador de corrente de magnetização 240 e o regulador de corrente de torque 245 são habilitados durante o estado de magneti-zação (320 na Figura 3). No estado de alto torque de partida (331 na Figura 3) o PLL 250 é habilitado. Durante o tempo de aquisição de PLL (323 na Figura 3), o PLL 250 adquire informação de corrente e voltagem do motor para calcular o ângulo de fluxo do motor. O modelo do motor 255 processa a informação do ângulo de fluxo do motor para produzir valores atualizados para velocidade do motor e fluxo do motor. Durante o tempo de transição para a mudança de estado (353 na Figura 3), o sistema de controle 210 comuta para uma operação de circuito fechado através da habilitação do regulador de velocidade 220 e regulador do fluxo 225. O regulador de velocidade 220 não considera tanto uma velocidade desejada de um controlador máster quanto a velocidade real do motor quando desabilitado durante a partida, mas em vez disso pode fornecer um valor predeterminado para a corrente do torque (353 na Figura 3). Uma vez habilitado, o regulador de velocidade pode comparar uma velocidade desejada com a velocidade real do motor e pode regular a referência da corrente de torque (Iqs) dessa maneira.
[0028] Similarmente, durante a partida, o regulador de fluxo 225 não considera tanto um fluxo desejado do controlador master quanto o fluxo real do motor, mas em vez disso pode fornecer um valor predeterminado para produzir uma corrente de magnetização inicial (351 na Figura 3) e corrente de campo inicial (352 na Figura 3). Uma vez habilitado, o regulador de fluxo 225 pode comparar a demanda de fluxo desejada com o fluxo real do motor e pode regular a referência da corrente de magnetização do estator do motor (Ids) e a referência da corrente do estator do excitador (Icampo) dessa maneira.
[0029] Os valores de referência de corrente atualizados junto com as correntes de retroalimentação do motor são processados para gerar valores atualizados para voltagens de referência de d, q e enviados para o módulo de transformação D-Q 260. O módulo de transformação D-Q 260 usa o ângulo de fluxo do motor (fornecido por PLL 250) para converter as referências de voltagem de d, q para os sinais de CA que podem ser referidos ao lado do estator do motor. Esses sinais de CA podem ser convertidos para inverter comandos de comutação usando modulador de largura de pulso (PWM) 270.
[0030] Diferentes valores podem ser designados para o valor de referência da corrente de magnetização (Ids) e o valor de referência da corrente de campo (Icampo) antes e depois da malha de fluxo ser habilitada. Uma transição regular no valor de referência pode ser alcançada usando-se a estratégia seguinte e é explicada com a ajuda da Figura 4. Durante o estado de alto torque de partida (331 da Figura 3) e até a malha de fluxo ser habilitada (360 da Figura 3), os valores de referência para a corrente de magnetização (Ids) 451 e para a corrente de campo (Icampo) 452 são ditados pela corrente magnetizada inicial 351 e máximo permissível de corrente do estator do excitador 401, respecti- vamente.
[0031] Uma vez que o acionador está fora do estado de alto torque de partida (331 da Figura 3) e a malha de fluxo está habilitada (360 da Figura 3), os valores de referência para a corrente de magnetização (Ids) 451 e a corrente de campo (Icampo) 452 podem ser determinados como mostrado abaixo: Ids* = Corrente de Magnetização Inicial (t) + IdsReg.P Icampo = FF de motor de sincronização(t)+Ids*+I [0032] Uma tendência exemplar de corrente magnetizada inicial e corrente de avanço de alimentação de motor síncrono (FF) como uma função de tempo é mostrada na Figura 3.
[0033] A Figura 6 ilustra uma modalidade exemplar de um aciona-dor de frequência variável que pode ser usado nas modalidades descritas aqui. Na Figura 6, um transformador ou outro dispositivo de en-rolamento múltiplo 610 distribui energia trifásica, de voltagem média, para uma carga 630 tal como um motor de indução trifásico via um arranjo de inversores de fase única (também referidos como células de energia). Um inversor trifásico não é exigido no arranjo. O dispositivo de enrolamento múltiplo 610 inclui enrolamentos primários 612 que excitam um número de enrolamentos secundários 614 - 625. Embora o enrolamento primário 612 seja ilustrado como tendo uma configuração de estrela, uma configuração de malha também é possível. Adicionalmente, os enrolamentos secundários 614 - 625 são ilustrados como tendo uma configuração delta estendida. Adicionalmente, o número de enrolamentos secundários ilustrados na Figura 6 é meramente exemplar, e outros números de enrolamentos secundários são possíveis. O circuito pode ser usado para aplicações de voltagem média (por exemplo, entre cerca de 690 volts e cerca de 69 quilovolts) ou, em algumas modalidades, outras aplicações. Detalhes adicionais sobre tal circuito são descritos na patente US N° 5.625.545 para Hammond, cu- ja descrição é aqui incorporada a título de referência na sua totalidade. [0034] Qualquer número de classificação de células de energia é conectado entre o transformador 610 e a carga do motor síncrono 630. Uma "classificação" é considerada ser um conjunto trifásico, ou um grupo de células de energia estabelecido através de cada das três fases do sistema de distribuição de energia. Com referência à Figura 6, a classificação 650 inclui células de energia 651 - 653, a classificação 660 inclui células de energia 661 - 663, a classificação 670 inclui células de energia 671 - 673, a classificação 680 inclui células de energia 681 - 683. Menos de quatro classificações, ou mais do que quatro classificações são possíveis. Um sistema de controle central 695 envia sinais de comando aos controles locais em cada célula através de fibras óticas ou outros meios de comunicação com fio ou sem fio 690. Deve ser percebido que o número de células por fase descrita na Figura 6 é exemplar, e mais do que ou menos do que quatro classificações podem ser possíveis em várias modalidades. Por exemplo, duas classificações, quatro classificações, oito classificações, ou outros números de classificações são possíveis.
[0035] Em algumas modalidades, algumas dessas células podem processar energia somente em uma direção (por exemplo, da entrada para a saída). Estas são algumas vezes referidas como células de dois quadrantes (2Q) ou de energia não regenerativa. Outras são capazes de processar energia em qualquer direção (por exemplo, da saída para a entrada e da entrada para a saída) uma vez que existe uma fonte de energia disponível que pode absorver essa energia. São algumas vezes referidas como células de quatro quadrantes (4Q) ou de energia regenerativa.
[0036] O acima descrito e outras características e funções, ou alternativas, podem ser desejavelmente combinados em muitos outros sistemas ou aplicações diferentes. Várias alternativas, modificações, variações ou aperfeiçoamentos presentemente inesperados ou imprevistos nesse sentido podem ser subsequentemente feitos por aqueles versados na técnica. Tais alternativas são também pretendidas serem incluídas pelas modalidades descritas.
REIVINDICAÇÕES
Claims (13)
1. Método para controlar a partida de um motor síncrono (110) com um excitador de corrente direta sem escova (120), caracterizado pelo fato de que compreende: usar um controlador de acionamento de frequência variável (100) para aplicar uma corrente de magnetização(Ids) a um estator de um motor (110) e uma corrente de campo predeterminada (Icampo) ao excitador, enquanto a frequência de saída é mantida em zero; elevar em forma de rampa a frequência de saída, enquanto aumenta uma corrente de torque (Iqs) ao seu valor de ajuste; usar o controlador de acionamento de frequência variável (100) para manter a corrente de torque aplicada (Iqs) no estator do motor (110) para girar um rotor, de modo que o motor (110) seja operado como um motor de indução durante um primeiro período de tempo; e comutar a operação do motor (110) após uma determinada velocidade de transição para um circuito fechado para reduzir a corrente de magnetização (Ids) aplicada ao estator do motor (110) e regular a corrente de campo (Icampo) aplicada ao excitador de modo que o motor (110) seja operado como um motor síncrono durante um segundo período de tempo.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito controlador de acionamento de frequência (100) aplica a dita corrente de magnetização (Ids) e a dita corrente de campo (Icampo) simultaneamente.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a corrente de torque (Iqs) é elevada a um nível predeterminado e mantida por um período de tempo predeterminado.
4. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o nível predeterminado e o período de tempo predeterminado são determinados com base em uma carga (630) sendo aplicada ao motor (110).
5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: manter a corrente de campo (Icampo) em um nível máximo permitido de corrente do estator do excitador por um período de tempo; em que a corrente de torque (Iqs) é aplicada depois que a corrente de magnetização (Ids) foi aplicada ao estator do motor (110) por um período de estado de magnetização; em que a corrente de torque e a velocidade do motor (110) são aumentadas até um nível predeterminado; em que quando a corrente de torque (Iqs) alcança o nível predeterminado, manter a corrente de torque (Iqs) e a velocidade do motor (110) nesse nível por um período de tempo de permanência do fluxo; em que o período de tempo é ajustado por uma malha de captura de fase (250), em que a malha de velocidade é fechada para regular a corrente de torque (Iqs) iniciando, desse modo, uma transição para operar o motor (110) sincronicamente; em que uma malha de fluxo é fechada para reduzir a corrente de magnetização (Ids) a zero e para regular a corrente de campo (Icampo); e em que o motor (110) é operado como um motor síncrono durante o segundo período de tempo.
6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o dito controle de acionamento de frequência variável distribui a dita corrente de torque (Iqs).
7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o dito nível máximo permissível de corrente do estator do excitador é regulado com base em uma carga (630) sendo aplicada ao dito motor (110).
8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o dito nível predeterminado da dita corrente de torque (Iqs) é regulado com base em uma carga (630) sendo aplicada ao dito motor (110).
9. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que uma velocidade do dito motor (110) aumenta depois do dito tempo de permanência do fluxo, a dita velocidade aumentando para uma velocidade mínima exigida para operação síncrona.
10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a dita velocidade mínima é determinada com base em uma carga (630) do dito motor (110).
11. Sistema para controlar a partida do motor síncrono (110), motor este que tem um excitador de corrente direta sem escova (120), caracterizado pelo fato de que: um controlador de acionamento de frequência variável (100) configurado para aplicar uma corrente de magnetização (Ids) a um estator do motor (110) por um período de tempo predeterminado, sendo que o dito controlador de acionamento de frequência variável é ainda configurado para aplicar uma corrente de campo (Icampo) constante predeterminada ao excitador (120), enquanto a frequência de saída é mantida em zero para aumentar a frequência de saída, enquanto aumenta a corrente de torque (Iqs); e usar o controlador de acionamento de frequência variável (100) para manter a corrente de torque aplicada (Iqs) ao estator do motor para girar um rotor, de modo que o motor é operado como um motor de indução durante um primeiro período de tempo; e um componente de controle do motor configurado para comutar a operação do motor (110) depois de uma determinada velocidade de transição para uma circuito fechado, de modo que a corrente de magnetização (Ids) do dito controlador de acionamento de frequência variável é reduzida e a corrente aplicada ao excitador é regulada de modo que o motor é operado como um motor síncrono durante um segundo período de tempo.
12. Sistema de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o dito componente de controle do motor compreende ainda um controlador de malha de captura de fase (250) e um controlador de modelo do motor (255); em que o dito controlador de malha de captura de fase (250) monitora o retorno da corrente e o retorno da tensão do dito motor (110) e fornece o dito controlador de modelo do motor (255) com tais componentes de retorno; e em que o dito controlador de modelo do motor (255) fornece ao dito componente de controle do motor a velocidade do motor e os valores de fluxo do motor durante a dita operação do motor síncro-no.
13. Sistema de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que o dito controlador de acionamento de frequência (100) é configurado para aplicar a dita corrente de magnetiza-ção (Ids) e a dita corrente de campo (Icampo) simultaneamente.
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