ES2307484T3 - Regulador con control de corriente de salida del alternador y de la potencia de entrada. - Google Patents
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Abstract
Un supervisor de generador adaptado para uso con un generador eléctrico incluyendo una bobina de campo (F), un devanado acoplado con un par de terminales de salida, y un eje de generador operativo para modificar la interacción electromagnética de la bobina de campo y el devanado cuando el eje gira, incluyendo el supervisor de generador: un tacómetro (42), sensible al generador y operativo para generar una señal de velocidad indicativa de la velocidad rotacional del eje de generador; un supervisor de corriente (46) operativo para generar una señal de corriente de campo indicativa de la corriente de campo media de la bobina de campo del generador; un primer elemento de procesado (32) sensible a las señales de corriente de campo y velocidad y operativo para generar una señal de corriente de salida indicativa de corriente eléctrica de salida suministrada por el generador mediante los terminales de salida; caracterizándose el supervisor de generador por un controlador (38), sensible a la señal de corriente de salida, y operativo para reducir la corriente media de la bobina de campo del generador (F) cuando la señal de corriente de salida es indicativa de corriente de salida excesiva.
Description
Regulador de control de corriente de salida del
alternador y de la potencia de entrada.
Esta invención se refiere a un regulador de
voltaje adecuado para uso con un generador eléctrico tal como un
alternador, y en particular a un regulador de voltaje que realiza
mejores funciones de control determinando y limitando la corriente
de salida del alternador así como el voltaje de salida.
Un vehículo moderno usa un alternador para mover
el sistema eléctrico del vehículo y para recargar una batería que
proporciona potencia eléctrica de reserva siempre que el motor del
vehículo no esté operando o cuando se pueda obtener insuficiente
potencia eléctrica del alternador. El alternador incluye un devanado
de campo, devanados de estator, y un eje de rotación que es movido
a través de algún dispositivo por un motor. Se usan rectificadores
para convertir la corriente alterna generada por los devanados de
estator a corriente continua para carga de la batería. Un regulador
de voltaje detecta el voltaje de salida del alternador y controla la
corriente de bobina de campo para mantener un voltaje constante
según la referencia de voltaje interna del regulador cuando se
añaden o quitan cargas eléctricas externas, dentro de los límites de
la capacidad de potencia de salida del alternador. Esto se logra
normalmente haciendo que fluya corriente a través del devanado de
campo siempre que el voltaje de salida caiga por debajo del voltaje
de referencia, y parando el flujo de corriente a través del
devanado de campo siempre que el voltaje de salida suba por encima
del voltaje de referencia.
El voltaje de referencia apropiado del regulador
se determina por el voltaje de carga de la batería necesario para
la aplicación particular, y el sistema eléctrico del vehículo está
diseñado típicamente para operar en este voltaje. El voltaje de
referencia está diseñado a menudo con compensación de temperatura
porque es deseable para la carga de la batería que el voltaje de
carga disminuya cuando aumente la temperatura de la batería. La
corriente de salida del alternador se produce en los devanados de
estator cuando el devanado de campo conduce corriente y el eje del
alternador está girando. A voltaje constante, la corriente de salida
del alternador aumenta con la velocidad del eje en una relación no
lineal, y esta corriente de salida eleva la temperatura del
devanado de estator. Cuando aumenta la temperatura del estator, la
corriente de salida máxima del alternador a voltaje constante
disminuye. El régimen de potencia de salida de un alternador de
automóvil se determina típicamente a una velocidad del eje del
alternador de 5000 revoluciones por minuto.
Cuando un motor del vehículo está operando a
velocidad de marcha en vacío, la potencia de salida del alternador
está típicamente por debajo de la potencia de régimen del
alternador. Esto significa a menudo que el alternador es incapaz de
suministrar toda la potencia eléctrica necesaria a velocidad de
marcha en vacío del motor, y la batería suministra la potencia
eléctrica deficiente. Cuando aumenta la temperatura del
compartimiento motor y del devanado de estator del alternador, la
potencia máxima de salida del alternador disminuye más. Generalmente
no se conoce la rapidez con que se descarga la batería en tales
circunstancias a no ser que se utilice un shunt de corriente para
medir la corriente de descarga de la batería, o si se emplean otros
medios para medir el estado de carga de la batería.
Tiene lugar una situación diferente a
temperaturas árticas si se usa precalentamiento para arrancar el
motor y se aplican rápidamente altas cargas eléctricas cuando el
alternador todavía está frío. En tales circunstancias la potencia
de salida del alternador puede exceder de forma significativa de la
potencia de salida de régimen máxima durante unos pocos minutos. La
potencia de accionamiento al alternador para cumplir la demanda
eléctrica puede exceder el par o los límites de accionamiento del
mecanismo de accionamiento entre el motor y el alternador y
producir fallo de accionamiento. Los dispositivos de accionamiento
de alternadores de alta potencia tienen poco margen para exceder el
par máximo y límites de accionamiento máximos que se basan
típicamente en datos de temperatura ambiente. El voltaje de salida
del alternador, la corriente de salida, y la eficiencia pueden ser
usados para determinar la potencia de entrada, mientras que la
potencia de entrada y la velocidad del eje pueden ser usadas para
determinar el par de entrada. Es difícil medir la corriente continua
sin un shunt, un dispositivo calibrado que desarrolla un voltaje a
través de sus terminales proporcional al flujo de corriente a través
del shunt.
No es evidente que alguien haya resuelto todos
los problemas anteriores en el diseño de un alternador o regulador
de voltaje. Sin embargo, se han propuesto varios sistemas que tocan
algunos aspectos de los problemas anteriores. Por ejemplo, Ueda,
Patente de Estados Unidos número 5.712.786, propone un método de
control de velocidad de marcha en vacío del motor que emplea, entre
otras características, un mapa relacionado con la velocidad de
marcha en vacío del motor y el ciclo de trabajo de campo del
alternador para determinar la corriente de salida del alternador
sin usar un shunt. La determinación de la corriente del alternador
es una característica en el control general de una válvula de
control de velocidad en vacío para regular automáticamente la
velocidad en vacío de un motor de combustión interna. Ueda no mide
la velocidad del eje del alternador ni aplica una compensación
proporcionada a datos medidos referentes a la operación del
alternador.
Vanek y colaboradores, Patente de Estados Unidos
número 5.559.704, propone un método de calcular la potencia del
alternador en base a valores medidos de la corriente y voltaje del
alternador para determinar la eficiencia y potencia del motor. Se
usan detectores de corriente alterna y shunts de corriente continua
para medir la corriente. La velocidad del eje no se tiene en cuenta
en esta aplicación de locomoción a velocidad controlada del motor,
ni se mide la temperatura ambiente ni la temperatura del devanado de
estator.
US 5.270.575 describe un dispositivo para
controlar la velocidad de marcha en vacío de un motor que mueve un
alternador.
Hoy día se necesita un regulador de voltaje
mejorado que sea capaz de supervisar la corriente de salida de modo
que se satisfagan las necesidades de salida sin imponer esfuerzo
excesivo a los requisitos de accionamiento de entrada. También es
deseable supervisar la potencia de salida del alternador con
respecto a las cargas aplicadas para ser consciente de cuándo se
aplican cargas excesivas de modo que se puedan tomar medidas para
priorizar las cargas o para aumentar la velocidad del eje del
alternador. El sistema proporciona preferiblemente esta información
en un amplio rango de velocidades del eje del alternador y
temperaturas ambiente. Es deseable comunicar con otros sistemas
para compartir información de estado y tomar medidas a petición.
La presente invención proporciona un método y
aparato para supervisar un generador eléctrico como el descrito en
las reivindicaciones acompañantes.
La realización preferida descrita a continuación
incluye un regulador de voltaje de microcontrolador que supervisa
varias señales de entrada y procesa los valores representados por
las señales para determinar exactamente dónde está operando el
alternador dentro de su envolvente de rendimiento. Las señales de
entrada incluyen voltaje de fase de una de las fases de corriente
alterna, señal de energización de campo, señales de energización
externa, voltaje de salida, y señales de temperatura de varias
fuentes. La señal de energización externa activa el regulador a
operación. La señal de salida del circuito intermedio RPM es
procesada para determinar la velocidad del eje del alternador.
A continuación, se miden la temperatura y el
voltaje de salida y se compensa la temperatura del voltaje de
referencia programado. El voltaje de fase de corriente alterna sigue
siendo supervisado para proporcionar la velocidad del eje del
alternador. Si el voltaje medido está por debajo del voltaje de
referencia, el regulador hace que pase corriente a través del
devanado de campo del alternador a una tasa gradualmente creciente.
Esto hace que se genere la corriente de salida del alternador. Si
el alternador está operando dentro de su envolvente de rendimiento,
la corriente de salida hará que el voltaje de salida suba hasta que
exceda del voltaje de referencia. En este punto el regulador apaga
la corriente de campo. Mientras tanto, el regulador también
determina la capacidad de corriente de régiman máxima a la
velocidad medida del eje y la corriente media del devanado de
campo. Los datos de la corriente media del devanado de campo y la
velocidad del eje se usan con algoritmos para determinar la
corriente de salida del alternador. El regulador determina la
potencia de salida del alternador a partir de los valores de
corriente de salida y el voltaje de salida. La potencia de
accionamiento de entrada se determina dividiendo la potencia de
salida por la eficiencia de conversión de potencia a la respectiva
velocidad del eje. El par de accionamiento se calcula dividiendo la
potencia de accionamiento de entrada por la velocidad del eje y
multiplicándola por un coeficiente.
La relación entre la corriente media del
devanado de campo (por ejemplo, el ciclo de trabajo) y la corriente
de salida del alternador a varias velocidades del eje es una función
no lineal compleja. Por esta razón se han derivado empíricamente
parámetros usados para calcular la corriente de salida y se han
programado como un mapa de memoria. La eficiencia de conversión de
potencia también es no lineal, pero puede ser aproximada como una
línea inclinada o una variable de orden única con respecto a la
velocidad del eje. Estas dos relaciones se definen por el diseño
del alternador, y el regulador es programado preferiblemente para el
modelo de alternador que se controla.
Una segunda función del regulador se refiere al
establecimiento de límites operativos y la comparación de estos
límites con las condiciones operativas. Se imponen límites al
voltaje de salida, la corriente de salida, la potencia de salida,
la potencia de accionamiento, el par de entrada, la temperatura y la
velocidad del eje. Estos límites son establecidos por las
condiciones de salida o entrada, y algunos límites se pueden cambiar
con la entrada del puerto de comunicaciones.
Una tercera función del regulador se refiere al
control de la potencia de salida de manera que permanezca dentro de
límites operativos así como dentro de límites programados que pueden
ser menos que los límites operativos. El regulador controla el
alternador controlando la corriente de campo. Si una demanda de
rendimiento hace que se supere un límite programado, el regulador
reducirá la corriente de campo media con el fin de permanecer
dentro del límite programado. Esto hará que el voltaje de salida
caiga por debajo del voltaje regulado, activando un código de
fallo, y sugerirá comunicar a sistemas externos la razón del código
de fallo. Cuando las demandas de rendimiento se reducen dentro de
los límites programados o capacidades del alternador, el alternador
vuelve a operación normal y se resetean los códigos de fallo.
Los párrafos anteriores se han ofrecido
simplemente a modo de introducción, y no se ha previsto que limiten
el alcance de las reivindicaciones siguientes.
Los dibujos acompañantes constituyen parte de
esta memoria descriptiva y sirven para explicar otras realizaciones
seleccionadas de esta invención.
\newpage
La figura 1 es un diagrama de bloques de un
regulador que incorpora una realización preferida de la presente
invención.
La figura 2 es un diagrama de flujo de rutinas
de software ejecutadas por el microcontrolador de la figura 1.
La figura 3 es un esquema de un alternador y
regulador de voltaje de la técnica anterior que son de uso común en
vehículos.
La figura 4 es un diagrama de bloques que
ilustra la operación del regulador de la figura 1.
La figura 5 es un gráfico que ilustra una curva
adecuada para uso como C_{max}(s) en la realización de la
figura 4.
La figura 6 es un gráfico que ilustra un
conjunto de parámetros almacenados adecuados para uso en la
realización de la figura 4.
Pasando ahora a los dibujos, la figura 3
representa un alternador de la técnica anterior A, que suministra
potencia de salida a un sistema eléctrico de 14 voltios que incluye
carga de batería. De manera convencional, el alternador A incluye
una bobina de campo F y devanados de estator W. Los devanados de
estator están conectados por diodos rectificadores al bus de
potencia eléctrica de corriente continua de 14 voltios.
Convencionalmente, el alternador A es controlado por un regulador
de voltaje R que controla la corriente a través de la bobina de
campo F para regular el voltaje en el bus de potencia de 14 voltios
cuando las cargas eléctricas L son encendidas y apagadas. En una
realización de esta invención, el regulador de voltaje convencional
R puede ser sustituido por el regulador aquí descrito.
La figura 1 proporciona un diagrama esquemático
de un regulador que opera según esta invención. El regulador
incluye un microcontrolador U1 que ejecuta un conjunto de rutinas de
software a una tasa determinada por una señal de reloj generada por
un reloj. El microcontrolador U1 incluye un procesador de señal
digital, un convertidor analógico a digital, y memorias adecuadas.
Se puede usar varios microcontroladores. Por ejemplo, se ha hallado
que es adecuado el microcontrolador ofrecido por Motorola como pieza
número MC 68HC11.
El regulador ilustrado en la figura 1 ha sido
adaptado para uso con el alternador A representado en la figura 3.
Las patillas de conexión se designan W1 a W5. Por lo tanto, hay
cinco señales para el regulador, las mismas que para el regulador
convencional ilustrado en la figura 3. La función de estas cinco
señales es la siguiente:
W1 (Pos-in) representa el
voltaje del bus de potencia eléctrica de 14 voltios medido en esta
patilla. Es la misma señal que W5 (+14V-in). Esta
señal también se llama detección de voltaje.
W2 (campo-neg) representa el
lado conmutado del devanado de campo que es controlado por el
regulador para que el alternador pueda producir potencia cuando
pase corriente a través del devanado de campo. La señal que hace
que el devanado de campo conduzca corriente se denomina conmutación
de campo, y la señal que supervisa esta patilla para determinar la
corriente de campo media se llama detección de campo.
W3 (Neg-in) representa la
referencia de tierra para todas las mediciones de voltaje.
W4 (Fase-in) representa la señal
de detección de corriente alterna proporcionada por uno de los
devanados de estator del alternador W antes de la rectificación.
Esta señal se llama detección CA, y surge siempre que el devanado
de campo es energizado y el eje del alternador está girando. La
señal es procesada en la memoria intermedia de RPM de modo que la
frecuencia de señal indique fiablemente la velocidad del eje del
alternador.
W5 (Eng-in) representa la señal
de energización que es operada para poner el regulador en operación
e inicializar el microcontrolador. También se llama la señal de
energización. Esta señal se deriva típicamente de la batería y pasa
a través de una variedad de conmutadores de control antes de llegar
a la patilla designada del regulador. En algunas aplicaciones la
operación del alternador es auto-energizada y la
señal de energización se genera después de que el eje del
alternador comienza a girar. En tales casos esta señal es interna al
alternador y circuito regulador, y no se suministra ninguna señal
externa.
Conmutación de campo media: este circuito
produce un voltaje proporcional al tiempo dentro de un período en
que la bobina de campo conduce corriente (por ejemplo, el ciclo de
trabajo).
Detección de temperatura: éste es un voltaje
analógico proporcional a la temperatura ambiente medida por un
sensor de temperatura incluido por razones de conveniencia dentro
del recinto del regulador. Cualquier dispositivo sensible a
temperatura adecuado puede ser montado a distancia si se dispone de
cableado para la señal de temperatura. Otras realizaciones de esta
invención incluyen sensores de temperatura para otros parámetros,
tales como la temperatura del devanado de estator, la temperatura
de la bobina de campo, y la temperatura del cojinete.
Durante la operación normal, el voltaje del bus
de potencia eléctrica aparece como la señal de detección de voltaje
que se amortigua por condensadores y resistencias y un diodo zener
para proteger el regulador de altos voltajes transitorios. La
entrada de reseteo del microcontrolador U1 es sensible a la señal de
energización que, a su vez, es sensible al interruptor de encendido
controlado por un operador. El microcontrolador genera una señal de
control para el dispositivo de conmutación que controla la corriente
que fluye a través del devanado de campo F de la figura 3.
La figura 2 es un diagrama de flujo del software
de programación general para el microcontrolador U1. La secuencia
operativa normal comienza con el aspecto de la señal de energización
en la patilla del regulador W5 (representada por el bloque 1), que
conduce a la subrutina de inicialización realizada en el bloque 2.
Un punto de decisión de calibración en el bloque 3 es activo
solamente durante un procedimiento de calibración establecido en
fábrica, de modo que en operación normal los bloques 3a y 3b no se
ejecutan y la rutina pasa al bloque 4. En este bloque, el contador
de energización mantiene un recuento del número total de veces que
el regulador ha sido energizado. El indicador de banco direcciona
en el bloque 5 una memoria interna del microcontrolador que se usa
para almacenar la temperatura máxima medida por el regulador
durante la respectiva energización.
En el bloque 6 se lee la temperatura del
circuito de detección de temperatura y se calcula un factor de
compensación que es aplicado en el bloque 7 como una compensación
de temperatura a límites almacenados. Se aplica compensación de
temperatura al voltaje regulado. Otro aspecto de la compensación de
temperatura es ajustar la desviación entre la temperatura real del
dispositivo y la posición en que el transductor de temperatura está
situado para las circunstancias donde la medición directa no es
práctica.
La entrada de detección de voltaje que aparece
en la patilla del regulador W1 es leída en el bloque 8 y comparada
con la posición de regulación de voltaje programada con compensación
de temperatura. Un diodo fotoemisor tricolor de diagnóstico montado
en el regulador recibe del bloque 9 una orden de parpadeo verde para
satisfactorio, rojo cuando opera a un voltaje más alto que la
posición regulada, y ámbar cuando opera a un voltaje por debajo del
valor regulado. La característica de parpadeo confirma que el
regulador está operando adecuadamente mientras que los colores
identifican el estado del voltaje. Si el regulador ha detectado un
fallo que no puede controlar, se apagará, y hará que aparezca una
luz roja constante. La señal de energización se debe ciclar entre
encendido y apagado para resetear la operación del regulador si
tiene lugar un apagado.
El bloque 10 actualiza el valor de temperatura
máximo almacenado si es necesario. El bloque 11 comprueba el estado
para determinar si el alternador está en arranque o en operación
normal. La rutina de arranque está diseñada para consumir muy poca
energía de la batería y por lo tanto no impone virtualmente ninguna
carga a los requisitos de arranque del motor. También minimiza el
drenaje de la energía de la batería cuando el accionamiento del
alternador está desconectado mientras la señal de energización está
presente. El bloque 12 comprueba si tiene lugar operación sin
batería, porque tal operación se beneficia de compensación adicional
del valor de regulación de voltaje. La operación sin batería se
determina detectando ondulación de voltaje en la señal de detección
de voltaje que es superior a un nivel programado, o por información
suministrada mediante el puerto de comunicación.
Los bloques 13 y 14 operan el transistor de
conmutación de corriente de campo. La corriente de campo se
enciende, apaga o enciende durante un intervalo fijo dependiendo
del resultado de dos comparaciones separadas que se usan a efectos
de regulación:
1. Una comparación del voltaje de salida de
corriente que se refiere a la posición de regulación de voltaje;
2. Una comparación de la corriente de salida que
se refiere al límite de corriente programado.
El bloque 15 determina la velocidad del eje
leyendo la señal de detección CA que aparece del circuito intermedio
RPM. El circuito intermedio RPM filtra la señal de uno de los
devanados de estator y posteriormente mide el intervalo de tiempo
entre dos voltajes ascendentes. La inversa de este intervalo de
tiempo representa la frecuencia de señal en ciclos por segundo. En
el diseño particular del alternador de esta realización la velocidad
del eje del alternador en revoluciones por minuto es igual a diez
veces la frecuencia de señal medida.
En el bloque 16, se lee un mapa de memoria para
determinar dos parámetros: la corriente máxima que el alternador
puede producir a condiciones de temperatura ambiente, dado la
velocidad del eje medida en el bloque 15, y un valor umbral de
campo (el tiempo medio de conmutación de campo requerido para
producir un amperio de corriente de salida a la velocidad del eje
medida en el bloque 15). En términos generales, la corriente máxima
es la asociada con una corriente de campo que está completamente
activada durante todo su período medido (es decir un ciclo de
trabajo de 100%). El valor umbral de campo varía de forma
significativa con la velocidad del eje y se usa en esta realización
para interpolación exacta de la corriente de salida del alternador
como una función del ciclo de trabajo de devanado de campo.
El bloque 17 lee la señal de detección de campo
dentro del período de muestreo. La señal de detección de campo
corresponde al tiempo medio de conmutación de campo durante el que
el devanado de campo conduce corriente, y es proporcional al ciclo
de trabajo actualmente predominante del devanado de campo. El tiempo
medio de conmutación de campo menos el valor umbral de campo,
dividido por el valor de campo pleno menos el valor umbral de campo
representa la relación aproximada de la corriente de salida del
alternador con respecto a la salida de régimen en la velocidad
medida del eje. Varias pérdidas de alternador introducen una
variable no lineal relacionada con esta relación. Se aplica un
factor de corrección para compensarlo con el fin de realizar un
cálculo exacto de la corriente de salida.
El bloque 18 aplica un factor de compensación de
temperatura a la corriente de salida calculada en el bloque 17. El
resultado es la corriente de salida del alternador en función de la
velocidad del eje calculada y corregida en temperatura y pérdidas
del alternador.
El bloque 19 también calcula la potencia a la
que opera el alternador. Esto se lleva a cabo midiendo el voltaje
de salida, comparándolo con el valor del voltaje regulado, y
calculando posteriormente el voltaje de salida porcentual con
respecto al voltaje regulado deseado. Este porcentaje se aplica a la
corriente de salida para generar la potencia de salida (el producto
del voltaje de salida y la corriente). La potencia de salida
calculada anteriormente se compara con la potencia máxima de salida
disponible a la velocidad medida del eje según el voltaje de salida
y la corriente de salida de régimen máxima correspondiente corregida
en temperatura.
El bloque 20 se aplica cuando un puerto de
comunicación está activo para transportar información del alternador
a un módulo de supervisión o control del sistema. El puerto de
comunicación puede enviar y recibir estado, o puede enviar y
recibir órdenes para cambiar un parámetro supervisado. La
información de estado típica incluye el voltaje de salida, la
corriente de salida, la velocidad del eje, la temperatura, la
eficiencia, la potencia de entrada y la potencia de salida
producida como un porcentaje de potencia de salida de régimen máxima
a la velocidad dada del eje. Un controlador externo puede usar esta
información para regular la velocidad del eje o para controlar
cargas eléctricas aplicadas que afectan a la demanda de potencia del
alternador. Se puede usar señales de entrada de comunicación para
cambiar los límites programados. Por ejemplo, la información de
velocidad del eje puede ser usada como parte de un circuito de
control de velocidad en una unidad de potencia auxiliar que acopla
el alternador a un motor dedicado, y la velocidad controlada
dependerá del modelo de alternador y tipo de motor usado. Los
límites programados están adaptados a modelos de alternador
específicos. El valor del voltaje regulado se pone exactamente para
cada alternador individual durante la calibración.
Los párrafos siguientes proporcionan detalles
más específicos relativos a la operación de los bloques 13 a 19
descritos anteriormente. En esta explicación, se usarán los
parámetros siguientes:
V - voltaje de salida medido del regulador
(señal de detección de voltaje).
T - temperatura medida del regulador (señal de
detección de temperatura).
S - RPM medidas del eje del alternador (señal de
memoria intermedia de RPM).
F - ciclo de trabajo medido de la corriente de
campo (señal de detección de campo).
En este ejemplo, el cálculo de la corriente de
salida comienza con el bloque 15, donde se determina la velocidad
del eje del alternador S. A continuación, en el bloque 16, se
consulta un mapa de memoria usando el parámetro S como un índice.
El mapa proporciona dos parámetros para cada valor almacenado de
S:FN y CN. FN representa el ciclo de trabajo mínimo de la bobina de
campo que produce una corriente de salida mensurable, y CN
representa la corriente máxima de salida a temperatura ambiente que
se puede obtener a la velocidad dada del eje, suponiendo un ciclo
de trabajo máximo de 100%. Se usan técnicas de interpolación lineal
para obtener una mejor estimación de FN y CN que la obtenida por la
función de mapa muestreada de forma relativamente basta. Simplemente
a modo de ejemplo, y sin intentar ninguna limitación, la figura 6
proporciona un ejemplo de una función de mapa que se ha hallado
adecuada para uso en una aplicación.
A continuación, el bloque 17 mide el ciclo de
trabajo real F y determina una variable relacionada F% definida como
sigue:
F% = (F-FN/FMax -
FN) \cdot
100,
donde FMax es el ciclo de trabajo
máximo, 100% en este ejemplo. A continuación se aplica un factor de
corrección entre 0% y 10% para compensar varias pérdidas de
alternador que son una función de F%. En un ejemplo, se añade un
factor de corrección de 10% a F% cuando F% es entre 50% y 80%. El
resultado corregido es
F%N.
En el bloque 18 la señal de detección de
temperatura T se mide y usa para desarrollar un factor de
compensación de temperatura. En este ejemplo, el factor de
compensación de temperatura se determina como una función lineal de
la temperatura que varía inversamente con la temperatura. A modo de
ejemplo, donde la corrección de temperatura es -10% a 100ºC y +10%
a -40ºC, el factor de compensación de temperatura TF puede ser
determinado por la fórmula siguiente: TF = - 0,143T + 4,3, donde T
es la temperatura en grados Celsius. La corriente de salida C se
calcula entonces según la ecuación siguiente:
C=CN *TF*
F%N.
El acercamiento anterior proporciona una
estimación exacta de la corriente de salida. Durante la operación
estabilizada del alternador durante todo el rango de velocidad
operativa normal, este resultado es exacto dentro de
aproximadamente 2% de la corriente de salida medida real en un
ejemplo. En los bordes del rango normal de velocidades, la
exactitud disminuye a aproximadamente 3% en este ejemplo.
En el bloque 19, la potencia de salida P_{out}
se calcula como proporcional al producto de V y C. La potencia de
entrada P_{in} aplicada al eje del alternador para lograr la
potencia de salida calculada P_{out} se determina dividiendo
P_{out} por un factor de eficiencia E. E varía con S y puede ser
aproximado por una ecuación lineal determinada empíricamente. En un
ejemplo, donde la eficiencia es 66% a 8.000 RPM y 80% a 1100 RPM,
el factor de eficiencia E puede ser calculado según la ecuación
siguiente: E = - 0,002 \cdot S + 82, donde S es la velocidad del
eje medida en RPM. En el bloque 19, el par de entrada T_{in}
requerido para producir la corriente de salida C en el voltaje de
salida V se determina según la fórmula siguiente:
T_{in} = P_{in}/S \ x \
K1,
donde K1 es una constante de
proporcionalidad
apropiada.
La figura 4 proporciona un diagrama de bloques
que ilustra una implementación de las funciones anteriores. En el
sistema 30 de la figura 4, elementos de procesado primero, segundo y
tercero 32, 34, 36 están dispuestos como se representa. El primer
elemento de procesado 32 recibe como entradas los parámetros S, F, T
descritos anteriormente del tacómetro 42, el supervisor de
corriente 46, y el sensor de temperatura 48, respectivamente. El
elemento 32 usa las relaciones descritas anteriormente para generar
una corriente de salida de temperatura compensada C. El segundo
elemento de procesado 34 usa el parámetro C en combinación con los
parámetros V y S para determinar la potencia de entrada Pin
requerida para generar la corriente de salida C en el voltaje V,
usando las relaciones descritas anteriormente. El tercer elemento de
procesado 36 usa la potencia de entrada Pin y la velocidad S para
generar una medida de par de entrada T_{in}.
Un controlador 38 responde a la corriente de
salida determinada C y la corriente de salida máxima permisible
C_{max}(s) para generar una señal de control que se usa
para regulación de la corriente. En una realización alternativa, el
controlador 38 también puede responder a la potencia de entrada
calculada P_{in} y el par de entrada calculado T_{in} y puede
comparar estos parámetros con límites respectivos. Sin embargo, como
se describe más adelante en unión con la figura 5, la realización
preferida logra el resultado deseado de limitar la potencia de
entrada P_{in} y el par de entrada T_{in} conformando
apropiadamente la limitación de corriente C_{max}(s).
Los parámetros calculados C, P_{in}, T_{in}
también se aplican como entradas a un informador 40 que refiere
estos parámetros a un sistema externo.
Los elementos de procesado 32, 34, 36 pueden
tomar muchas formas, y no se limitan a la realización preferida
descrita anteriormente. Por ejemplo, los elementos de procesado 32,
34, 36 pueden ser rutinas de software separadas realizadas por un
ordenador tal como el microcontrolador U1 descrito anteriormente.
Igualmente, el controlador 38 y el informador 40 también se pueden
implementar como respectivas rutinas realizadas por un ordenador.
Se puede usar la más amplia variedad de mapas de memoria, técnicas
computacionales digitales y técnicas de procesado de señal
analógica para generar los parámetros explicados anteriormente.
Igualmente, se puede usar técnicas de procesado de señal digital o
analógica para el controlador 38 y el informador 40.
En una aplicación, se prefiere limitar la
corriente máxima de salida C, limitar el par máximo de entrada
T_{in}, y limitar la potencia máxima de entrada P_{in}. Esto se
puede realizar aplicando una corriente máxima de salida
C_{max}(s) que es una función de las RPM del alternador.
Típicamente, el par de entrada aplicado es máximo a velocidades
relativamente bajas del alternador (2.000-3.000 RPM,
por ejemplo). C_{max}(s) se pone preferiblemente en el
rango de 500-3.300 RPM para asegurar que el par de
entrada T_{in} no exceda de un valor máximo predeterminado.
A la inversa, la potencia de entrada P_{in} es
máxima típicamente a velocidades altas del alternador (superiores a
5.000 RPM, por ejemplo). Por esta razón, C_{max}(s) se pone
para altas velocidades (más de 5.000 RPM) para asegurar que no se
supere el límite deseado de potencia de entrada. La limitación de
corriente máxima C_{max}(s) se usa en el bloque 19
comparándola con la corriente de salida determinada C. En caso de
que la corriente de salida determinada C exceda del límite para el
valor corriente de S, se pone un señalizador que hace que el
regulador reduzca la corriente de bobina de campo (medida por el
parámetro F) a la siguiente ejecución del bloque 13.
Alternativamente, si la corriente de salida C es menos que el valor
máximo permitido C_{max}(s), el bloque 19 activa un
señalizador que permite activar la corriente de bobina de campo a la
ejecución siguiente del bloque 13, según regulación de voltaje
normal.
La figura 5 representa una ilustración de la
manera en que se puede hacer que el límite de corriente
C_{max}(s) varíe en una función de la velocidad del eje
del alternador. En la figura 5 la curva 52 representa
C_{max}(s) y la curva 54 representa el par de entrada
requerido para producir la corriente máxima de salida, suponiendo
regulación de voltaje normal. En ambas curvas 52 y 54, las líneas
continuas se usan para ilustrar los valores regulados, mientras que
las líneas de puntos se usan para indicar la corriente máxima y el
par de entrada, respectivamente, si solamente se regulase el
voltaje y se dejasen sin regular la corriente de salida, el par de
entrada y la potencia de entrada. Obsérvese que la curva 52 incluye
cuatro porciones. La porción de 3.300-5.000 RPM es
de amplitud ligeramente ascendente, y se determina por límites de
salida de corriente impuestos por el hardware del alternador
propiamente dicho. La porción de la curva 52 entre las velocidades
de 1.500 y 3.300 RPM se pone a valores inferiores para limitar el
par de entrada T_{in}, que el alternador aplica al sistema de
accionamiento. La porción por encima de 5.000 RPM de la curva 62
también cae a amplitudes más bajas con el fin de limitar la
potencia de entrada P_{in} que el alternador toma del sistema de
accionamiento. El segmento entre 1.000 y 1.500 RPM representa la
corriente de salida normalmente ascendente en operación a baja
velocidad del alternador.
La descripción anterior detallada describe
solamente unas pocas de las muchas formas que esta invención puede
tomar. Por ejemplo, las técnicas descritas anteriormente se pueden
adaptar a un supervisor de generador que genere una señal
indicativa de corriente eléctrica de salida suministrada por el
alternador, sin realizar necesariamente las funciones de regulación
o referencia descritas anteriormente. Varios parámetros descritos
anteriormente (tales como el par de entrada y la potencia de
entrada) pueden ser generados directamente a partir de los
parámetros básicos medidos, sin generar una medición de la corriente
de salida en todos casos.
Además, el circuito detector de velocidad
descrito anteriormente puede ser modificado a voluntad, y puede ser
sustituido por cualquier tipo de tacómetro adecuado. Por ejemplo, se
puede usar varios tacómetros ópticos, electrónicos y magnéticos
(analógicos o digitales). Igualmente, se puede usar cualquier
supervisor de ciclo de trabajo adecuado, sensor de voltaje y
elemento de procesado, incluyendo dispositivos analógicos y
digitales. Además, se puede utilizar otras medidas de corriente
media de bobina de campo en lugar del ciclo de trabajo de la bobina
de campo.
El regulador de esta invención también puede
almacenar límites programados para temperatura, potencia de salida,
eficiencia, según la capacidad del régimen de salida, y velocidad
del eje. Tales variaciones pueden incluir controladores para
controlar la corriente del campo del alternador para mantener la
operación del alternador dentro de estos límites de programación
para uno o varios de estos parámetros adicionales, solos o en
combinación con los parámetros usados para regular la corriente de
campo en la realización preferida descrita anteriormente.
En el sentido en que se usa aquí, se ha previsto
que el término "generador" abarque ampliamente el rango más
amplio de dispositivos para generar corriente eléctrica cuando un
eje de generador gira, incluyendo dispositivos tales como
alternadores. Así, el término "generador" abarca dispositivos
generadores en los que uno de la bobina de campo y el devanado está
montado para girar con el eje de generador, y por lo tanto la
rotación del eje modifica la interacción electromagnética entre la
bobina de campo y el devanado. El término "generador" también
abarca dispositivos en los que la bobina de campo y el devanado
están montados por separado del eje del generador, y el eje del
generador gira un elemento que modifica la interacción
electromagnética entre la bobina de campo y el devanado.
En el sentido en que se usa aquí, se ha previsto
que el término "función" tenga un sentido amplio de modo que
se diga que una primera variable es una función de una segunda
variable, tanto si la primera variable también es una función de
una o más variables adicionales como si no. Por ejemplo, se dice que
la señal de corriente de salida es una función del ciclo de trabajo
de la bobina de campo, aunque la señal de corriente de salida
también sea una función de la velocidad del eje.
La descripción detallada anterior describe
solamente unas pocas de las muchas formas que esta invención puede
tomar. Por lo tanto, se ha previsto que esta descripción detallada
sea solamente ilustrativa, y no limitativa. Se pretende que
solamente las reivindicaciones siguientes definan el alcance de esta
invención.
Claims (13)
1. Un supervisor de generador adaptado para uso
con un generador eléctrico incluyendo una bobina de campo (F), un
devanado acoplado con un par de terminales de salida, y un eje de
generador operativo para modificar la interacción electromagnética
de la bobina de campo y el devanado cuando el eje gira, incluyendo
el supervisor de generador:
un tacómetro (42), sensible al generador y
operativo para generar una señal de velocidad indicativa de la
velocidad rotacional del eje de generador;
un supervisor de corriente (46) operativo para
generar una señal de corriente de campo indicativa de la corriente
de campo media de la bobina de campo del generador;
un primer elemento de procesado (32) sensible a
las señales de corriente de campo y velocidad y operativo para
generar una señal de corriente de salida indicativa de corriente
eléctrica de salida suministrada por el generador mediante los
terminales de salida; caracterizándose el supervisor de
generador por
un controlador (38), sensible a la señal de
corriente de salida, y operativo para reducir la corriente media de
la bobina de campo del generador (F) cuando la señal de corriente de
salida es indicativa de corriente de salida excesiva.
2. El supervisor de generador de la
reivindicación 1 incluyendo además: un sensor de temperatura (48)
operativo para generar una señal de temperatura indicativa de la
temperatura;
donde el primer elemento de procesado (32) es
sensible adicionalmente a la señal de temperatura.
3. El supervisor de generador de la
reivindicación 1 incluyendo además:
un sensor de voltaje (44) operativo para generar
una señal de voltaje indicativa del voltaje en uno de los
terminales de salida del generador; y
un segundo elemento de procesado (34) sensible a
las señales de voltaje y corriente de salida y operativo para
generar una señal de potencia de entrada indicativa de la potencia
aplicada al generador.
4. El supervisor de generador de la
reivindicación 3 incluyendo además:
un controlador (38) operativo para reducir la
corriente media de la bobina de campo del generador cuando la señal
de potencia de entrada es indicativa de excesiva potencia de
entrada.
5. El supervisor de generador de la
reivindicación 3 incluyendo además:
un tercer elemento de procesado (36) sensible a
la señal de potencia de entrada y la señal de velocidad para
generar una señal de par de entrada indicativa del par requerido
para accionar el eje de generador.
6. El supervisor de generador de la
reivindicación 5 incluyendo además:
un controlador (38) operativo para reducir la
corriente media de la bobina de campo del generador cuando la señal
de par de entrada es indicativa de excesivo par de entrada.
7. Un método para supervisar un generador
eléctrico incluyendo una bobina de campo (F), un devanado acoplado
con un par de terminales de salida, y un eje de generador operativo
para modificar la interacción electromagnética de la bobina de
campo y el devanado cuando el eje gira, incluyendo dicho método:
(a) generar una señal de velocidad indicativa de
la velocidad rotacional del eje de generador;
(b) generar una señal de corriente de campo
indicativa de la corriente de campo media de la bobina de campo del
generador;
(c) generar una señal de corriente de salida
como una función de la señal de velocidad y la señal de corriente
de campo, siendo dicha señal de corriente de salida indicativa de la
corriente eléctrica de salida suministrada por el generador
mediante los terminales de salida; caracterizándose el método
por
(d) reducir la corriente media de bobina de
campo de la bobina de campo del generador cuando la señal de
corriente de salida es indicativa de corriente de salida
excesiva.
8. El método de la reivindicación 7 incluyendo
además:
(e) generar una señal de temperatura indicativa
de la temperatura;
donde el paso (e) genera la señal de corriente
de salida como una función de la señal de temperatura.
9. El método de la reivindicación 7 incluyendo
además:
(e) generar una señal de voltaje indicativa de
voltaje en uno de los terminales de salida del generador; y
(f) generar una señal de potencia de entrada
como una función de la señal de corriente de salida y la señal de
voltaje, siendo dicha señal de potencia de entrada indicativa de la
potencia eléctrica aplicada al eje de generador.
10. El método de la reivindicación 9 incluyendo
además:
(g) reducir la corriente media de bobina de
campo de la bobina de campo del generador cuando la señal de
potencia de entrada es indicativa de excesiva potencia de
entrada.
11. El método de la reivindicación 9 incluyendo
además:
(g) generar una señal de par de entrada en
respuesta a la señal de potencia de entrada y la señal de velocidad,
siendo dicho par de señal de entrada indicativo del par aplicado al
eje de generador.
12. El método de la reivindicación 11 incluyendo
además:
(h) reducir la corriente media de bobina de
campo de la bobina de campo del generador cuando la señal de par de
entrada es indicativa de excesivo par de entrada.
13. El método de la reivindicación 7 incluyendo
además:
(e) enviar una señal que varía como una función
de la señal de corriente de salida a un sistema externo.
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