BRPI1105482A2

BRPI1105482A2 - Método e disposição para determinar indutâncias de uma máquina síncrona de relutância

Info

Publication number: BRPI1105482A2
Application number: BRPI1105482-4A
Authority: BR
Inventors: Matti Eskola; Matti Veijanen
Original assignee: Abb Oy
Priority date: 2010-11-15
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2015-04-07
Also published as: SG181234A1; EP2453248A1; CN102565540A; MY162913A; CN102565540B; BRPI1105482B1; US9188648B2; EP2453248B1; MX2011012197A; US20120123715A1

Abstract

Método e disposição para determinar indutâncias de uma máquina síncrona de relutância. Trata-se de um método e uma disposição de determinação de indutâncias de uma máquina síncrona de relutância. O método compreende as etapas de fornecer um pulso de tensão na direção do eixo em quadratura ou do eixo direto do rotor, amostrar as correntes geradas pelo pulso de tensão fornecido, calcular valores de fluxo nos instantes de amostragem a partir do valor do pulso de tensão fornecido, dos valores de corrente amostrados e do valor da resistência do estator, calcular a indutância síncrona da máquina dividindo-se os valores de fluxo calculados pelas correntes amostradas correspondentes e/ou calcular a indutância transitória da máquina como uma derivada mdo fluxo em relação à corrente, e armazenar os valores calculados como uma função da corrente.

Description

“MÉTODO E DISPOSIÇÃO PARA DETERMINAR INDUTÂNCIAS DE UMA MÁQUINA SÍNCRONA DE RELUTÂNCIA”.

CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se a máquinas de relutância e, mais particularmente, à determinação das propriedades de indutância de máquinas de relutância.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Com frequência, são realizadas tentativas de controlar acionadores de motores elétricos de maneira mais eficiente possível. Isso significa, na forma mais simples, que em um determinado torque de carga, a corrente extraída pelo motor é minimizada. Isso minimiza as perdas resistivas no motor. A minimização de corrente seria uma tarefa simples se a máquina fosse ideal. Na prática, no entanto, a saturação magnética das partes de ferro da máquina torna a busca por um ponto de operação ideal um processo árduo. Em razão do efeito de saturação, as indutâncias da máquina não são constantes, porém são alteradas como uma função da corrente do estator. O fato de que as indutâncias são alteradas como uma função da corrente do estator torna a otimização da produção do torque uma tarefa difícil, uma vez que em máquinas de corrente alternada as indutâncias exercem uma influência sobre a magnitude do torque. A fim de maximizar o torque com uma determinada corrente de estator durante a operação do acionador, o comportamento das indutâncias deve ser conhecido como uma função da corrente ou do fluxo. O comportamento da indutância também é importante para a operação de controle de máquinas síncronas de relutância, especialmente se a máquina for controlada sem a medição de uma velocidade e posição do rotor. Tais métodos de controle de circuito aberto estimam a posição do rotor com o uso de um modelo matemático da máquina. Em relação às máquinas síncronas de relutância, o controle de circuito aberto não opera corretamente se a saturação das indutâncias não for levada em consideração de maneira apropriada.

Em procedimentos de identificação de indutância conhecidos, o rotor precisa ser girado. Em razão dessa exigência, pelo menos em alguns processos, a identificação deve ser realizada antes que a máquina seja acoplada ao processo. Além disso, nos métodos em que o rotor é girado, o período de tempo para a realização da identificação é longo. Em alguns procedimentos de identificação de indutância, o motor síncrono de relutância precisa ser carregado. A aplicação de torque de carga à máquina a ser identificada pode ser pouco prático, especialmente se a máquina já estiver presente nas instalações do usuário final. BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO Um objetivo da presente invenção é oferecer um método e uma disposição para solucionar o problema acima. O objetivo da invenção é realizado por um método e uma disposição que são caracterizados pelo que é declarado nas reivindicações independentes. As modalidades preferenciais da invenção são apresentadas nas reivindicações dependentes.

Na presente invenção, o comportamento de saturação das indutâncias de máquinas síncronas de relutância é determinado por meio de diferentes testes de pulso com o uso de um inversor conectado à máquina. Tanto as indutâncias síncronas como as indutâncias transitórias da máquina síncrona de relutância podem ser determinadas com o uso de uma série de testes de pulso.

As indutâncias síncronas e transitórias são ilustradas na Figura 7, que mostra um gráfico obtido durante a medição de indutância. O fluxo é plotado como uma função da corrente medida. A indutância síncrona é o coeficiente angular da linha que é traçada da origem até um ponto selecionado da curva, isto é, até um ponto cuja indutância é de interesse. É uma relação bem conhecida: Fluxo = corrente*indutância. A indutância transitória é a derivada do fluxo como uma função da corrente em um determinado ponto de operação. Na Figura 7, isso é ilustrado por uma linha tangente traçada em um ponto selecionado da curva. A indutância transitória descreve o comportamento da corrente na região próxima de um determinado ponto de operação. O método da invenção não requer qualquer equipamento adicional, uma vez que pode ser realizado com o uso de um inversor que controla a máquina.

Os valores de indutância obtidos com o método podem ser carregados diretamente no inversor que controla a máquina de relutância medida. O método da invenção não requer a rotação da máquina. Em uma modalidade, o rotor é ligeiramente girado para alinhar o rotor. Caso a direção do rotor seja conhecida, o método pode ser realizado sem qualquer movimento rotacional do rotor. Uma vez que o rotor da máquina não é girado, o método é rápido.

Em razão da natureza das máquinas de relutância, as correntes do estator exercem uma influência considerável sobre a saturação das indutâncias. O método fornece informações precisas sobre o comportamento da saturação. Uma vez que o comportamento correto da saturação é adaptado para uso em um modelo de motor do inversor ou conversor de frequência que controla a máquina, o controle da máquina síncrona é preciso e seguro.

No método da presente invenção, o comportamento da saturação das indutâncias de uma máquina síncrona de relutância é medido com o uso de testes de pulso simples. Em métodos conhecidos, os testes de pulso são usados para medir apenas o comportamento transitório das indutâncias de um motor CA. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A seguir, a invenção será descrita com mais detalhes por meio das modalidades preferenciais em referência aos desenhos anexos, em que A Figura 1 mostra uma estrutura simplificada de um rotor de uma máquina síncrona de relutância, A Figura 2 mostra indutâncias medidas na direção d do rotor, A Figura 3 mostra indutâncias medidas na direção q do rotor, A Figura 4 mostra um diagrama de vetor de tensão e um quadro de referência do estator, A Figura 5 mostra um exemplo de uma posição do rotor na medição de indutância na direção do eixo d, A Figura 6 mostra um exemplo de uma posição do rotor na medição de indutância na direção do eixo q, e A Figura 7 ilustra a determinação de indutâncias síncronas e transitórias.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO A seguir, a máquina síncrona de relutância é chamada de motor síncrono de relutância ou, simplesmente, de motor de relutância. Está, no entanto, evidente que uma máquina síncrona similar pode ser operada como um motor ou um gerador.

Diz-se que um motor síncrono é um motor de polo saliente se as indutâncias do eixo direto e do eixo em quadratura forem claramente diferentes em termos de magnitude. Na presente invenção, a indutância do eixo direto é marcada como Ld, e a indutância do eixo em quadratura como Lq. A direção do eixo d em um motor de relutância é selecionada para ser a direção da indutância mais alta. A Figura 1 mostra esquematicamente uma possível estrutura do rotor de uma máquina de relutância com as direções dos eixos d e q.

Em uma situação ideal, o torque produzido por uma máquina síncrona pode ser expresso como T - Ψrotor^q + (Al + \ )ZdZq ( ^ ) em que i//mtor é o fluxo produzido por ímãs permanentes do rotor ou enrolamentos do rotor e id, iq e Ld, Lq são os componentes diretos e em quadratura da corrente e da indutância. Como conhecido, os motores de relutância não apresentam ímãs permanentes ou enrolamentos no rotor, portanto, a expressão do torque é simplificada à forma T = (A (*'d> ) + A, (*d > *q )) Vq ' (2) A equação (2) acima pode parecer simples, mas, de fato, as indutâncias na direção d e q são dependentes das correntes em ambas as direções direta e em quadratura, o que dificulta a otimização das correntes. Se Ld e Lq forem constantes, evidencia-se facilmente que o torque está no seu valor máximo com um determinado comprimento de vetor de corrente quando iq é igual a id. Quando iq e id são iguais em termos de magnitude, o ângulo de corrente é 45°. Na prática, o ângulo de corrente é maior que 45°. Quando o vetor de corrente aumenta, a direção d do rotor satura-se mais do que a direção q, e a diferença de indutância Ld-Lq diminui se o ângulo for mantido em 45°. Quando o torque cresce, o ângulo de corrente precisa ser aumentado, uma vez que as indutâncias q e d saturam-se em ritmos diferentes. O aumento do ângulo de corrente significa, em outras palavras, que a corrente na direção do eixo q tornou-se maior que a corrente na direção d. A corrente no eixo D satura naturalmente o ferro na direção do eixo d e da corrente do eixo q na direção do eixo q, respectivamente. Uma vez que os fluxos nas direções d e q circulam nas mesmas partes de ferro, o fluxo da direção d satura o ferro da direção q, e vice-versa. Isso significa que as direções d e q não podem ser consideradas separadamente, como na maioria das representações de circuitos equivalentes. O efeito da corrente do eixo em quadratura sobre a indutância do eixo direto e da corrente do eixo direto sobre a indutância do eixo em quadratura é chamado, na presente invenção, de saturação cruzada. A saturação de uma máquina síncrona de relutância é ilustrada nas Figuras 2 e 3. As Figuras 2 e 3 mostram a indutância do eixo direto Ld e a indutância do eixo em quadratura Lq como uma função das correntes id, iq do eixo direto e do eixo em quadratura. As medições das indutâncias são realizadas por uma máquina real com o método que será explicado abaixo. É possível observar a partir das Figuras 2 e 3 que as indutâncias variam bastante dependendo da corrente. A saturação cruzada exerce uma influência perceptível sobre a direção d. Com baixos valores de id, o valor de Ld pode diminuir até dezenas de porcentagens quando iq aumenta de zero até um valor considerável.

Seis vetores de tensão ativos estão disponíveis em um inversor de fonte de tensão de dois níveis ou um conversor de frequência. Esses vetores de tensão são mostrados na Figura 4 em um quadro de referência do estator com os eixos x e y, em que x denota o eixo real e y denota o eixo imaginário. O inversor e os vetores de tensão disponíveis são empregados no método de determinação das indutâncias do motor de relutância.

Em primeiro lugar, a indutância na direção do eixo d é medida sem saturação cruzada, isto é, iq = 0. Na sequência de medição, uma corrente CC é inicialmente distribuída para o estator da máquina de modo que o eixo d do rotor seja alinhado em uma direção conhecida. Essa direção conhecida é, de preferência, uma direção de um dos vetores de tensão. Na Figura 5, o rotor é alinhado de modo que o seu eixo d seja alinhado com a direção de um vetor de tensão 1. Esse alinhamento é obtido simplesmente pelo uso do vetor de tensão 1. Após o rotor ser girado, o vetor 1 é novamente aplicado. Então, toda a tensão se concentra na direção d e a corrente id começa a aumentar.

Uma vez que a tensão é aplicada, a corrente é amostrada em uma taxa substancialmente elevada. Embora a tensão no circuito intermediário CC (“link CC”) seja basicamente constante e conhecida, também é conveniente amostrar a tensão. Quando a corrente tiver aumentado até um valor suficientemente elevado, o pulso de tensão será interrompido. Após o pulso, as correntes e tensões medidas são disponibilizadas e armazenadas, por exemplo, em uma tabela facilmente acessível. Se a resistência do estator for conhecida, o fluxo poderá ser calculado como Ψ (k) = Ψ (k -1) + - Ri(A)) + ( u(k -1) - Ri(k -1))) 2 " ' (3) A equação (3) é a integral de (ux-Rix) na forma discreta com o uso da aproximação de Tustin. A equação (3) produz um vaíor de fluxo em cada intervalo de tempo k que corresponde aos instantes de tempo nos quais as correntes foram medidas.

Quando os valores de fluxo calculados são divididos pelos valores de corrente amostrados correspondentes, a plotagem superior da Figura 2 é obtida, a qual mostra a indutância na direção do eixo d sem qualquer corrente na direção do eixo q. A estimação do comportamento da indutância continua com uma segunda medição, em que a indutância na direção do eixo q é determinada. Antes da medição do pulso de tensão, o rotor é novamente alinhado com uma corrente CC de modo que o eixo d do rotor seja um ângulo de 90° em uma direção conhecida, como o eixo x no quadro de referência do estator, conforme mostrado na Figura 6. Então, o vetor de tensão 1 pode ser usado novamente e a corrente aumenta apenas na direção do eixo q. O cálculo da indutância é realizado conforme acima com a indutância do eixo d, e o resultado é plotado na plotagem superior da Figura 3.

Na terceira medição, os efeitos da saturação cruzada são levados em consideração. Para a medição da indutância com saturação cruzada, o componente direto ou em quadratura da corrente precisa ser controlado, uma vez que a ideia é manter a corrente em saturação cruzada em um nível fixo e aplicar o pulso de tensão conforme os testes anteriores. Para a medição da indutância na direção do eixo d, o rotor é inicialmente alinhado conforme o segundo teste, isto é, o eixo d do rotor está em um ângulo de 90° com o eixo x do quadro de referência do estator, conforme mostrado na Figura 6.

Em seguida, a corrente na direção do eixo em quadratura do rotor (isto é, na direção do eixo x) é aumentada até um valor desejado, que pode ser, por exemplo, o valor mais alto usado na prática. A corrente aumenta rapidamente com uma tensão de pulso (com o uso de apenas um vetor 1) ou de maneira mais controlada com o uso de um controle de corrente simples. A corrente iq está então em seu valor de ajuste, e a medição pode ser iniciada. Na medição, apenas os vetores de tensão 2 e 3 da Figura 4 são usados. Quando os vetores 2 e 3 são usados, a tensão é constante na direção d. A corrente aumenta rapidamente na direção do eixo d e a corrente na direção do eixo q é mantida constante por meio do equilíbrio dos vetores de tensão 2 e 3. Um controlador é necessário para manter a corrente do eixo q constante. Esse controlador seleciona os tempos de comutação dos vetores 2 e 3 dependendo da magnitude da corrente do eixo q. Um controlador PI simples pode ser usado para controlar a corrente do eixo q.

Os dados são coletados da mesma maneira que as sequências de teste anteriores. As tensões e correntes na direção do eixo y do quadro de referência do estator são medidas. Os fluxos são calculados com o uso dos dados coletados (iy, uy) por meio da equação 3, por exemplo. Quando o fluxo calculado é dividido pelas correntes correspondentes, a curva de indutância inferior da Figura 2 é obtida.

Na fase de medição seguinte, a indutância na direção q é determinada com saturação cruzada. O procedimento é similar ao anterior. O rotor é então girado antes da medição de modo que o eixo d do rotor seja alinhado com o eixo x do quadro de referência do estator, como na Figura 5. A corrente CC é controlada na direção do eixo d e o pulso de tensão é distribuído na direção q. Em relação ao estator, os pulsos são similares aos do teste anterior. As tensões e correntes são amostradas na direção do eixo y do quadro de referência do estator e a indutância é calculada a partir do fluxo calculado das tensões e correntes armazenadas. A curva de indutância obtida é mostrada como a curva inferior na Figura 3.

Conforme mencionado acima, o rotor da máquina de relutância é girado até um ângulo conhecido, ou o ângulo do rotor é determinado antes da sequência de teste. Se a posição do rotor for conhecida, o procedimento acima poderá ser realizado de modo que o rotor não seja girado em hipótese alguma. Nesse caso, os vetores de tensão usados durante o teste são combinações de vetores adjacentes, tornando o procedimento ligeiramente mais complicado.

No procedimento acima, as indutâncias são determinadas como uma função da corrente. Também é possível determinar as indutâncias como uma função do fluxo. A diferença em relação ao exposto acima é que durante os testes de saturação cruzada, em vez das correntes dos eixos d e q, os fluxos dos eixos d e q são mantidos constantes. Em primeiro lugar, uma referência de fluxo é selecionada e o fluxo produzido é comparado com a referência selecionada. O fluxo produzido é calculado com o uso da equação (3) durante o teste, e com base na comparação, os vetores de tensão são alterados como no caso das referências de corrente. Nessa modificação, as correntes e tensões são medidas como no caso da determinação com base na corrente.

No método descrito acima, todo o comportamento de saturação de uma máquina síncrona de relutância pode ser determinado. Uma vez que as indutâncias obtidas são apresentadas como uma função da corrente em toda a faixa de corrente aplicável, as indutâncias da máquina podem ser determinadas e armazenadas em qualquer corrente. As indutâncias que podem ser determinadas a partir das medições incluem as indutâncias síncronas e indutâncias transitórias na direção d e na direção q, ambas com e sem saturação cruzada. Além disso, a quantidade de saturação cruzada usada nas medições pode ser selecionada, e pode haver mais de um teste de saturação cruzada em cada direção com uma saturação diferente.

As perdas no ferro, isto é, correntes parasitas e perdas por histerese, do motor síncrono de relutância distorcem os resultados medidos. Por exemplo, as perdas no ferro aceleram o aumento da corrente durante o teste de pulso. No entanto, nos motores CA modernos, essas perdas são bastante reduzidas. A Figura 7 mostra um gráfico obtido em um teste de pulso, no qual os valores de fluxo obtidos durante a medição de indutância são plotados como uma função da corrente medida. Então, a indutância síncrona é o coeficiente angular da linha que é traçada da origem até um ponto selecionado da curva, isto é, até um ponto cuja indutância é de interesse. A indutância transitória pode ser obtida a partir das medições na forma da derivada do fluxo como uma função da corrente em um determinado ponto de operação.

Conforme ilustrado na Figura 7, a indutância síncrona com uma determinada corrente é calculada dividindo-se o fluxo obtido pela corrente. Os fluxos e correntes foram determinados nos procedimentos de teste da invenção. Os valores de indutância síncrona e corrente obtidos podem ser armazenados na memória para uso posterior, ou um modelo matemático de indutância pode ser construído com base nas medições do método. Se os dados de indutância e corrente forem armazenados, o sistema de controle poderá determinar as indutâncias em um determinado ponto de operação por meio do uso de tabelas de consulta, por exemplo. Se um modelo matemático de indutância for construído para Ld(id,iq) e Lq(id,iq), os parâmetros das funções de modelização selecionadas são sintonizados com o uso de um método de ajuste de curva apropriado. O cálculo de uma derivada que determina a indutância transitória pode ser realizado com base nos pontos sucessivos dos valores de fluxo determinados. A maneira mais simples é ajustar uma linha ao ponto de interesse por meio do uso de pontos de dados sucessivos e, em seguida, calcular o coeficiente angular da curva. Esses valores podem ser armazenados em tabelas de pesquisa, ou as indutâncias transitórias podem ser calculadas analiticamente por meio do uso de um modelo matemático construído para indutâncias síncronas. O intervalo de tempo usado na medição de correntes e tensões deve ser curto, uma vez que a exatidão do cálculo aumenta com intervalos mais curtos. Uma vez que a corrente aumenta muito rapidamente, também é vantajoso usar intervalos de tempo curtos de modo que o pulso de tensão possa ser interrompido no devido tempo antes de a corrente exceder um valor limite, o que provoca a parada do inversor ou do conversor de frequência. A disposição da invenção compreende meios que são adaptados para realizar o método da invenção. Especificamente, os meios são feitos de ou constituem uma parte de um sistema que é capaz de controlar a rotação da máquina síncrona de relutância. Tal sistema é, por exemplo, um conversor de frequência, que compreende circuitos de medição para medir correntes e tensão no circuito intermediário CC, processador com capacidade para realizar os cálculos necessários, e memória acessível, na qual os dados medidos e calculados podem ser armazenados e a partir da qual os dados e os valores calculados podem ser lidos. Tipicamente, o procedimento da invenção é realizado de maneira automatizada. O operador do conversor de frequência inicia o procedimento e, uma vez que as medições são realizadas, os valores de indutância são armazenados na memória. O procedimento pode solicitar que o operador forneça os valores de referência dos testes de saturação cruzada, ou, por padrão, o procedimento usa valores de referência predeterminados.

Estará óbvio para um elemento versado na técnica que, à medida que a tecnologia avança, o conceito da invenção poderá ser implantado de várias maneiras. A invenção e suas modalidades não estão limitadas aos exemplos descritos acima, porém podem variar dentro do escopo das reivindicações.

Claims

1. Método de determinação de indutâncias de uma máquina síncrona de relutância, CARACTERIZADO pelo fato de fornecer um pulso de tensão na direção do eixo em quadratura ou do eixo direto do rotor, amostrar as correntes geradas pelo pulso de tensão fornecido, calcular os valores de fluxo nos instantes de amostragem a partir do valor do pulso de tensão fornecido, dos valores de corrente amostrados e do valor da resistência do estator, calcular a indutância síncrona da máquina dividindo-se os valores de fluxo calculados pelas correntes amostradas correspondentes e/ou calcular a indutância transitória da máquina como uma derivada do fluxo em relação à corrente, e armazenar os valores calculados como uma função da corrente.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, sendo que o método é CARACTERIZADO pelo fato de compreender uma etapa de magnetizar o rotor em uma direção perpendicular à direção do pulso de tensão antes de fornecer o pulso de tensão na direção do eixo em quadratura ou do eixo direto do rotor para obter valores de indutância com saturação cruzada.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a magnetização compreende as etapas de selecionar uma referência de corrente para a magnetização cruzada, fornecer tensão em uma direção selecionada, medir a corrente produzida pela tensão, e controlar a corrente para a referência de corrente durante o período do teste de pulso.

4. Método, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a magnetização compreende as etapas de selecionar uma referência de fluxo para a magnetização cruzada, fornecer tensão em uma direção selecionada, medir a corrente produzida pela tensão, calcular o fluxo provocado pela tensão a partir do valor do pulso de tensão fornecido, dos valores de corrente amostrados e do valor da resistência do estator, e controlar o fluxo para a referência de fluxo durante o período do teste de pulso.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores 1 a 4, CARACTERIZADO pelo fato de que as indutâncias síncronas calculadas servem a uma função, que produz os valores das indutâncias síncronas como uma função da corrente.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que a indutância transitória é calculada como uma derivada da função, que produz os valores das indutâncias síncronas como uma função da corrente.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores 1 a 6, sendo que o método é CARACTERIZADO pelo fato de compreender uma etapa de girar o rotor da máquina até uma posição conhecida antes da sequência de medição.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que a posição conhecida é a direção do eixo x ou y do estator.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores 1 a 6, sendo que o método é CARACTERIZADO pelo fato de compreender a etapa de determinar a posição do rotor antes da sequência de medição.

10. Disposição de determinação de indutâncias de uma máquina síncrona de relutância, sendo que a disposição é CARACTERIZADA pelo fato de compreender meios para fornecer um pulso de tensão na direção do eixo em quadratura ou do eixo direto de um rotor, meios para amostrar as correntes geradas pelo pulso de tensão fornecido, meios para calcular valores de fluxo nos instantes de amostragem a partir do valor do pulso de tensão fornecido, dos valores de corrente amostrados e do valor da resistência do estator, meios para calcular a indutância síncrona da máquina dividindo-se os valores de fluxo calculados pelas correntes amostradas correspondentes e/ou meios para calcular a indutância transitória da máquina como uma derivada do fluxo em relação à corrente, emeios para armazenar os valores calculados como uma função da corrente.