ES2278689T3 - Sistema de control para un generador de frecuencia variable. - Google Patents
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Abstract
Un sistema de control para un generador de frecuencia variable del tipo que comprende un devanado estatórico principal (10) para aportar una salida del generador (11), excitado por un devanado rotórico principal (9), y un devanado rotórico excitador principal (7) para energizar el devanado rotórico principal (9), excitado por un devanado de campo excitador principal (5), en que el sistema de control comprende: una entrada (30, 31, 32) adaptada para recibir una señal correspondiente a un parámetro operativo del generador; una salida (5a) adaptada para impulsar el devanado del campo excitador principal; caracterizado por: un bucle de realimentación negativa (38, 39, 40) entre la salida y la entrada del sistema de control, cuyo bucle incluye una red de compensación de la estabilidad (38, 39, 40) operable para procesar la señal; siendo una característica operativa de la red de compensación de la estabilidad adaptativamente controlable según una frecuencia de operación presente del generador.
Description
Sistema de control para un generador de
frecuencia variable.
La presente invención se refiere a un sistema de
control para un generador de frecuencia variable. Dicho sistema
puede utilizarse con un generador de avión accionado, por ejemplo,
por un motor de turbina de gas.
En GB 1.596.291 se describe un tipo conocido de
generador para uso con un motor de aviación. El generador consta de
tres etapas, cada una de las cuales tiene un rotor y un estator, con
los rotores unidos a un eje motor común. La primera etapa o
excitador piloto comprende un generador de imán permanente que tiene
un rotor de imán permanente que coopera con devanados estatóricos
trifásicos. Los devanados del estator están conectados a través de
un rectificador y regulador de tensión con el devanado del excitador
principal que forma el estator del excitador principal. El rotor
del excitador principal comprende devanados trifásicos que están
conectados a través de un rectificador con un devanado rotórico de
la etapa principal del generador, que tiene devanados estatóricos
trifásicos conectados con la salida del generador. Este arreglo
también es aplicable a máquinas de frecuencia variable y máquinas
con salida de corriente continua donde el devanado del estator del
generador principal está conectado a través de un rectificador para
dar una salida de generador de corriente continua.
La tensión de salida del generador se regula
comparando la tensión de salida con una referencia y controlando el
regulador de tensión para controlar el campo excitador principal. El
generador debe estar diseñado para mantener la tensión de salida
nominal para toda la carga eléctrica en todo el rango de velocidad
de funcionamiento que típicamente puede ser de 380 a 780 Hz.
Un problema particular que se experimenta en el
funcionamiento de generadores del tipo descrito accionados a
velocidad variable es mantener la estabilidad de los sistemas de
control que se aportan para facilitar el mantenimiento de las
tensiones transitorias y de régimen permanente en niveles
permisibles mientras varían la carga y la velocidad de
accionamiento. Se ha utilizado un sistema de control de este tipo
conocido para regular los parámetros operativos del generador con
respecto a la tensión de salida media del generador. Señales
correspondientes a cada uno de estos parámetros se pasan por un
circuito donde gana la señal más alta, y la señal ganadora se
somete a compensación de estabilidad. La compensación de estabilidad
se aporta mediante una señal de realimentación negativa desde la
salida del propulsor del campo excitador principal, donde la señal
se devuelve a través de un circuito compensador de estabilidad.
US-A-5.606.248
describe un sistema de control que se propone mantener la
estabilidad de un sistema alternador. Se aporta una pluralidad de
bucles de realimentación negativos en los que las señales se toman
de la salida del alternador y se devuelven a la entrada de
control.
Según la invención, se aporta un sistema de
control para un generador de frecuencia variable del tipo que
comprende un devanado estatórico principal para aportar una salida
del generador, excitado por un devanado rotórico principal, y un
devanado rotórico excitador principal para energizar el devanado
rotórico principal, excitado por un devanado de campo excitador
principal, en que el sistema de control comprende una entrada
adaptada para recibir una señal correspondiente a un parámetro
operativo del generador; una salida adaptada para impulsar el
devanado del campo excitador principal y un bucle de realimentación
negativo entre la salida y la entrada del sistema de control, donde
el bucle incluye una red de compensación de la estabilidad operable
para procesar la señal, y una característica operativa de la red de
compensación de la estabilidad es adaptativamente controlable según
una frecuencia de operación presente del generador.
Una característica operativa de al menos una de
las redes de compensación de la estabilidad puede ser
adaptativamente controlable según una frecuencia de operación
presente del generador.
Por conveniencia, la red o cada una de las redes
adaptativamente controlables según un rango de frecuencias
predeterminado en el que entra la presente frecuencia de
operación.
El sistema de control puede incluir medios
sensores operables para detectar una pluralidad de parámetros
operativos del generador y para aportar a las entradas respectivas
señales respectivas correspondientes a los parámetros
operativos.
Los medios sensores pueden ser operables para
aportar señales que representan una media de la tensión de salida
del generador y/o la adquisición de fase alta y/o la corriente de
salida del generador.
Al menos una de las redes puede incluir un
conmutador accionable por una señal de entrada dependiente de la
frecuencia. El arreglo puede ser tal que, en el uso, una de dichas
señales correspondientes a un parámetro operativo del generador se
dirige por una primera ruta a través de la red hasta que se acciona
el conmutador para causar que la señal se redirija por una ruta
distinta a través de la red. De esta manera, se puede hacer que la
señal correspondiente a un parámetro operativo del generador pase a
través de un arreglo seleccionado de componentes de la red adecuado
para aportar un nivel deseado de compensación de la estabilidad
según la frecuencia operativa presente. En consecuencia, se
facilita un control de estabilidad mejorado en todo un rango de
frecuencias de operación.
El conmutador o cada conmutador puede disponerse
para que opere a una respectiva frecuencia operativa
predeterminada.
Cada una de dichas redes puede estar provista
respectivamente con uno de dichos conmutadores, estando los
conmutadores dispuestos para operar a una frecuencia operativa
predeterminada común.
El sistema de control puede ser operable para
aportar señales correspondientes respectivamente a la tensión media
de cada fase de la salida del generador y para aportar a una de
dichas entradas del sistema de control una señal de adquisición de
fase alta correspondiente a la más elevada de las tensiones medias
detectadas. Esto es ventajoso en comparación con el uso de un
circuito sensor de tensión de cresta para la regulación de una
turbina de alta presión (HPT), como se describe por ejemplo en
GB-A-2293704, ya que el régimen de
descarga de un circuito sensor de crestas puede dar distintos
valores de ondulación en la tensión detectada a distintas
frecuencias, causando niveles cambiantes de tensión regulada según
aumenta la carga. Asimismo, en un sistema de control de frecuencia
variable pueden ocurrir variaciones en la relación de cresta a RMS
(valor medio cuadrático) de la forma de onda de salida del
generador en todo el rango de carga y factor de potencia, y se
requiere que el nivel de regulación permanezca constante bajo
distintas condiciones de funcionamiento. Los reguladores que
funcionan mediante detección de crestas dan distintos niveles de
regulación RMS según cambia la relación.
Para una mejor comprensión de la invención, a
continuación se describe un ejemplo de realización de la misma, a
modo de ejemplo sólo, con referencia a las ilustraciones adjuntas,
en las que:
la figura 1 es un diagrama de un generador y una
unidad de control de un generador;
la figura 2 es un diagrama de bloques de un
circuito que muestra el generador y parte de la unidad de control
del generador de la figura 1 con más detalle;
la figura 3 es un diagrama de bloques de un
sistema de control para un regulador de la unidad de control del
generador, cuyo sistema de control constituye un ejemplo de
realización de la invención; y
la figura 4 es un diagrama esquemático de un
bloque de compensación de la estabilidad del sistema de control.
El generador G de frecuencia variable para
aviación que se muestra en la figura 1 consta de un excitador piloto
1 en forma de un generador de imán permanente (PMG) que tiene un
rotor de imán permanente 2 y un devanado estatórico trifásico 3. El
devanado estatórico 3 está conectado a una unidad de control 4 del
generador. La unidad 4 suministra energía del devanado 3 a un
devanado de campo estatórico 5 de un excitador principal 6. El
excitador principal 6 tiene un devanado rotórico trifásico 7
conectado a través de un rectificador de puente de media onda 8 con
un devanado rotórico 9 de un rotor principal del generador. Un
estator principal 10 tiene un devanado trifásico que está conectado
como la salida 11. El devanado del rotor principal 9 junto con el
devanado rotórico 7 y el rotor de imán permanente 2 están fijados a
un eje común 12 para que roten juntos. El eje 12 está conectado a
través de un acoplamiento adecuado con un motor de aviación.
La unidad de control 4 está conectada con un
transformador 13 de la corriente del generador. El transformador 13
detecta la corriente en la salida del devanado estatórico principal
del generador a fin de señalar a la unidad de control 4 por las
líneas 13a la corriente de salida del generador y posibles estados
de fallo. La unidad de control 4 tiene una entrada conectada con la
salida 11 por una línea 15 para detectar la tensión de salida del
generador.
La unidad de control 4 se muestra con más
detalle en la figura 2. El devanado del campo excitador principal 5
está conectado en serie con un transistor 20 de efecto de campo
compuerta de potencia aislada entre una línea común y la salida de
un rectificador 22 cuya entrada está conectada con el devanado
estatórico 3 del excitador piloto 1. El devanado del campo
excitador principal 5 está conectado en paralelo con un diodo
23.
La compuerta del transistor 20 está conectada
con la salida de un regulador de tensión 24 de la unidad de control
4 del generador para accionar el devanado del campo excitador
principal 5. Un medio sensor, en forma del transformador 13 y la
línea sensora 15, está conectado con las entradas del regulador de
tensión 24. El regulador 24 puede comprender un circuito de control
implementado como un circuito integrado de aplicación específica
(ASIC).
La figura 3 muestra un sistema de control para
ser usado en el regulador de tensión 24 de la unidad de control del
generador. Se muestran tres entradas del sistema 30, 31, 32 que
corresponden respectivamente a los parámetros operativos: corriente
de salida del generador, tensión media de salida del generador y
adquisición de fase alta. Las señales correspondientes a estos
parámetros operativos se aportan utilizando señales de corriente y
tensión obtenidas de la salida 11 del estator principal 10 a las
entradas 30, 31, 32 utilizando las líneas 13a, 15. Las señales en
bruto se pueden procesar con medios de procesamiento 30a, 31a, 32a
para aportar señales en una forma adecuada que representan un
límite predeterminado de corriente del generador, la tensión media
y la adquisición de fase alta. Se aportan señales de realimentación
negativa desde la salida 5a del impulsor del campo excitador
principal aportado por el regulador de tensión 24 sobre las líneas
respectivas 33, 34, 35 para que interactúen con las señales de
entrada 30, 31, 32 en las respectivas uniones sumatorias 33a, 34a y
35a, aplicando así realimentación negativa a cada una de las tres
señales enrutadas hacia un circuito de "la más alta gana" 36.
La más alta de las señales resultantes prevalece y es comparada con
una tensión de referencia aportada por un medio de referencia de
tensión 37. La señal de entrada F al impulsor del campo depende de
la diferencia relativa entre la salida del circuito de "la más
alta gana" y la tensión de referencia. De esta manera, se puede
controlar el campo excitador principal para controlar así la salida
del generador.
La señal de realimentación del impulsor del
campo se dirige a través de redes de compensación de estabilidad
independientes 38, 39, 40. Cada red está adaptada para aportar un
nivel deseado de compensación definido específicamente para
responder a los requisitos de realimentación de la señal de
realimentación particular que debe procesar. Esto permite mejorar
la estabilidad del sistema de control, lo que resulta
particularmente beneficioso en sistemas de frecuencia altamente
variable en los que pueden producirse cambios considerables en la
función de transferencia del generador en todo el rango de
frecuencia y
carga.
carga.
Cada red 38, 39, 40 tiene una entrada respectiva
45, 45a, 45b conectada con la salida 5a del impulsor del campo y
una entrada respectiva 46, 46a, 46b conectada con una fuente de
señal S dependiente de la frecuencia, controlada por el sistema de
control.
La figura 4 es un esquema del bloque de
compensación de estabilidad para procesar una señal de
realimentación para la adquisición de fase alta. La red de
compensación de estabilidad 38 incluye dos subredes A y B de
compensación de estabilidad. Una entrada 45 de la red de
compensación de estabilidad 38 está conectada en serie con la
subred A o alternativamente la subred B por medio de un conmutador
44, por ejemplo un conmutador semiconductorizado o un relé
cambiador. El conmutador 44 es operable por una señal desde una
entrada 46 de la red 38, como lo indica la línea de trazos 46a.
Una señal de realimentación de la entrada 45 se
dirige a través de la subred A a una salida 47 de la red 38 hasta
que el conmutador es accionado por una señal de la entrada 46 a fin
de enrutar la señal de realimentación a través de la subred B hacia
la salida 47. La señal para accionar el conmutador 44 se aporta a la
entrada 46 cuando la frecuencia de operación del generador alcanza
una frecuencia predeterminada. En el ejemplo de realización
descrito, el generador está diseñado para operar entre 380 y 780 Hz
y se aportan medios para suministrar una frecuencia dependiente de
la señal de entrada para alternar el conmutador 44 de la subred A a
la subred B cuando la velocidad del generador llega a 580 Hz. Esto
típicamente cambia la constante de tiempo de realimentación por un
factor de 3.
En un arreglo práctico, el conmutador es
operable para redirigir la señal de realimentación desde una ruta
que pasa por un primer resistor a una ruta que pasa por el primer
resistor en paralelo con un segundo resistor. La señal de entrada
dependiente de la frecuencia puede ser una señal de ganancia
adaptativa del microprocesador, estando el microprocesador
programado para detectar la frecuencia del generador.
Evidentemente, se pueden disponer varias
subredes distintas para que se conecten al bucle de realimentación
en distintas frecuencias de operación respectivas, si es necesario.
Se advertirá que se pueden aportar conmutadores y subredes C/D, E/F
similares en las redes 39 y 40. Estos conmutadores y subredes
adicionales pueden disponerse para que aporten distintos niveles de
compensación de estabilidad y/o diferentes frecuencias de
interrupción de acuerdo con los requisitos de realimentación del
bucle 33, 34, 35 en el que están incorporados.
Claims (10)
1. Un sistema de control para un generador
de frecuencia variable del tipo que comprende un devanado
estatórico principal (10) para aportar una salida del generador
(11), excitado por un devanado rotórico principal (9), y un
devanado rotórico excitador principal (7) para energizar el devanado
rotórico principal (9), excitado por un devanado de campo excitador
principal (5), en que el sistema de control comprende:
una entrada (30, 31, 32) adaptada para recibir
una señal correspondiente a un parámetro operativo del
generador;
una salida (5a) adaptada para impulsar el
devanado del campo excitador principal; caracterizado
por:
un bucle de realimentación negativa (38, 39, 40)
entre la salida y la entrada del sistema de control, cuyo bucle
incluye una red de compensación de la estabilidad (38, 39, 40)
operable para procesar la señal;
siendo una característica operativa de la red de
compensación de la estabilidad adaptativamente controlable según
una frecuencia de operación presente del generador.
2. Un sistema de control como el
reivindicado en la reivindicación 1, que comprende:
una pluralidad de entradas (30, 31, 32)
adaptadas para recibir respectivas señales correspondientes a
respectivos parámetros operativos del generador; y
una pluralidad de bucles de realimentación
negativa (33, 34, 35) entre la salida (5a) del sistema de control y
las entradas;
donde cada bucle incluye una respectiva red de
compensación de estabilidad (38, 39, 40) operable para procesar una
señal de realimentación correspondiente a uno de dichos parámetros
operativos.
3. Un sistema de control como el
reivindicado en la reivindicación 2, en el que una característica
operativa de cada una de las redes de compensación de la
estabilidad (38, 39, 40) es adaptativamente controlable según una
frecuencia de operación presente del generador.
4. Un sistema de control como el
reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en
el que la red o cada una de las redes adaptativamente controlables
(38, 39, 40) es adaptativamente controlable de acuerdo con un rango
de frecuencias predeterminado en el que entra la presente frecuencia
de operación.
5. Un sistema de control como el
reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en
el que el sistema de control incluye medios sensores (13, 15)
operables para detectar una pluralidad de parámetros operativos del
generador y para aportar a las entradas respectivas (30, 31, 32)
señales respectivas correspondientes a los parámetros
operativos.
6. Un sistema de control como el
reivindicado en la reivindicación 5, en el que los medios sensores
(13, 15) pueden ser operables para aportar señales que representan
una media de la tensión de salida del generador y/o la adquisición
de fase alta y/o la corriente de salida del generador.
7. Un sistema de control como el
reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en
el que al menos una de las redes (38) incluye un conmutador (44)
accionable por una señal de entrada (S) dependiente de la
frecuencia, dispuesto de tal manera que, en el uso, una de dichas
señales correspondientes a un parámetro operativo del generador se
dirige por una primera ruta a través de la red hasta que se acciona
el conmutador (44) para causar que la señal se redirija por una ruta
distinta a través de la
red.
red.
8. Un sistema de control como el
reivindicado en la reivindicación 7, en el que el conmutador (44) o
cada conmutador está dispuesto para que opere a una respectiva
frecuencia operativa predeterminada.
9. Un sistema de control como el
reivindicado en la reivindicación 7 u 8, en el que cada una de
dichas redes (38, 39, 40) está provista respectivamente con uno de
dichos conmutadores (44), estando los conmutadores dispuestos para
operar a una frecuencia operativa predeterminada común.
10. Un sistema de control como el
reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
operable para aportar señales correspondientes respectivamente a la
tensión media de cada fase de la salida del generador (11) y para
aportar a una de dichas entradas (32) del sistema de control una
señal de adquisición de fase alta correspondiente a la más elevada
de las tensiones medias detectadas.
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