ES2374918B1 - Método de regulación del par electromagnético de motores eléctricos de tracción de vehículos ferroviarios. - Google Patents

Método de regulación del par electromagnético de motores eléctricos de tracción de vehículos ferroviarios. Download PDF

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Abstract

Método de regulación del par electromagnético de motores eléctricos de tracción de vehículos ferroviarios, que emplea unos inversores que toman una tensión continúa para alimentar unos motores eléctricos y controlar su par electromagnético (Tem) , en donde los inversores se componen de unos transistores (Tr1...Tr6) que conmutan entre estados de conmutación activos (E.A) que se corresponden con una tensión no nula a la salida del inversor, y estados de conmutación nulos (E.N) que se corresponden con una tensión nula a la salida del inversor, siendo el par electromagnético (Tem) de los motores eléctricos regulado mediante la inserción selectiva de unos vectores nulos híbridos que generan estados de conmutación nulos (E.N.V) adicionales correspondientes con una tensión nula a la salida del inversor, disminuyendo así el par electromagnético (Tem) del motor eléctrico ante variaciones en la tensión continua.

Description

Método de regulación del par electromagnético de motores eléctricos de tracción de vehículos ferroviarios.
Sector de la técnica
La presente invención está relacionada con los métodos y procedimientos utilizados para regular y controlar el par electromagnético de motores eléctricos de tracción que se utilizan en vehículos ferroviarios, como trenes, metros o tranvías.
Estado de la técnica
La tracción de vehículos ferroviarios tales como trenes, metros o tranvías se lleva a cabo mediante unos equipos de tracción, los cuales se alimentan a través de una línea aérea denominada catenaria.
En el caso de catenarias de tensión continua, los equipos de tracción están constituidos por una sola etapa de conversión DC/AC formada por unos inversores basados generalmente en transistores IGBTs, que mediante la conmutación de dichos transistores controlan y alimentan una serie de motores eléctricos que traccionan las ruedas del vehículo ferroviario. El convertidor es el encargado de proporcionar a los motores eléctricos de tracción la forma de onda de tensión y frecuencia que requieren para conseguir las prestaciones solicitadas en cada momento.
Cuando se producen variaciones en la tensión continua de la catenaria, se inducen unos cambios repentinos en la tensión de bus del convertidor. En los modos de control donde el valor de la tensión de bus se utiliza como parámetro de control, una variación brusca de la misma genera una actuación del control que provoca un aumento del flujo de estator del motor eléctrico con su consiguiente pico de corriente y aumento del par electromagnético. Este efecto reduce la robustez de este tipo de controles.
Se hace por lo tanto necesario un método que permita una regulación eficaz del par electromagnético de los motores eléctricos de tracción ante variaciones en la tensión del bus del convertidor provocados por cambios bruscos en la tensión de la catenaria de alimentación.
Objeto de la invención
De acuerdo con la presente invención se propone un método de regulación del par electromagnético de motores eléctricos de tracción de vehículos ferroviarios, con el cual se eliminan los problemas que los modos de control convencionales presentan ante cambios bruscos de tensión en la catenaria de alimentación.
El método objeto de la invención emplea un convertidor de tensión que toma una tensión continua de una catenaria para alimentar unos motores eléctricos encargados de traccionar las ruedas del vehículo ferroviario. El convertidor de tensión está formado por unos inversores que se conectan con los motores eléctricos para controlar su flujo y par electromagnético. Dichos inversores están formados por una serie de transistores que conmutan entre estados de conmutación activos que se corresponden con una tensión no nula a la salida del inversor de tensión, y estados de conmutación nulos que se corresponden con una tensión nula a la salida del inversor, de manera que mediante la conmutación selectiva de dichos transistores se van excitando los devanados de los motores eléctricos de tracción.
Cuando se producen variaciones en la tensión continua de la catenaria, se inducen unos cambios repentinos en la tensión de bus del convertidor, lo cual genera una actuación del control que provoca un aumento del flujo de estator del motor eléctrico con su consiguiente pico de corriente y aumento del par electromagnético Para regular este aumento del par electromagnético de los motores eléctricos es necesario que los transistores del convertidor conmuten a un estado de conmutación nulo correspondiente con una tensión nula a la salida del convertidor de tensión.
Por lo tanto, la presente invención propone la inserción de unos vectores nulos híbridos que generan estados de conmutación nulos adicionales de los transistores, que se superponen a los estados de conmutación (activos y nulos) calculados por los controles de flujo y par. De esta manera se consigue una disminución controlada del par electromagnético del motor eléctrico de tracción ante aumentos bruscos de la tensión en la catenaria.
La inserción de dichos vectores nulos híbridos se lleva a cabo cuando el par electromagnético de un motor eléctrico de tracción ha superado un limite superior preestablecido, y los vectores nulos híbridos se desactivan cuando el par electromagnético (Tem) alcanza un nivel de par de referencia.
Tanto el límite superior preestablecido del par electromagnético del motor eléctrico de tracción como el nivel de par de referencia del motor eléctrico se definen en función de la aplicación y para responder a los requisitos impuestos en cada caso.
Se obtiene así un método de unas características muy ventajosas, adquiriendo vida propia y carácter preferente para la función de aplicación a la que está destinado en relación a la regulación del par electromagnético de motores eléctricos de tracción de vehículos ferroviarios.
Descripción de las figuras
La figura 1 muestra un convertidor de tensión que toma la tensión continua de una catenaria para alimentar a los motores eléctricos de tracción de un vehículo ferroviario.
La figura 2 muestra un diagrama de bloques de un sistema de control del flujo de estator y del par electromagnético de un motor eléctrico de tracción de un vehículo ferroviario.
La figura 3 muestra unos vectores espaciales del flujo de estator y del flujo de rotor del motor eléctrico de tracción expresados en coordenadas fijas alfa-beta que representan un sistema trifásico en un plano de dos ejes.
La figura 4 muestra un diagrama de bloques del método de regulación del par electromagnético de motores eléctricos objeto de la invención.
La figura 5 muestra un diagrama de la inserción de un vector nulo híbrido en función de la evolución del par electromagnético del motor eléctrico.
Descripción detallada de la invención
Los equipos de tracción de vehículos ferroviarios tales como trenes, metros, o tranvías poseen unos convertidores de tensión que alimentan a una serie de motores eléctricos de tracción mediante la tensión extraída de una línea aérea denominada catenaria.
Los convertidores (1) de tensión están formados por unos inversores (2) basados generalmente en transistores IGBTs. En el ejemplo de realización de la invención mostrado en la figura 1, en ningún caso limitativo, un convertidor
(1) de tensión está formado por dos inversores (2) que toman una tensión continua (Vcatenaria) de una catenaria para alimentar y controlar respectivamente a cuatro motores eléctricos (3) de corriente alterna trifásica, uno por cada rueda (4) del vehículo ferroviario. Cada inversor (2) dispone de seis transistores (TR1, ... TR6) IGBTs, distribuidos en parejas, y cada pareja conectada con un devanado de un motor eléctrico (3). Así, mediante unos estados de conmutación de los transistores (TR1, ... TR6) IGBTs se van excitando los devanados de los motores eléctricos (3) para provocar su movimiento.
Los transistores (TR1, ... TR6) IGBTs conmutan entre estados de conmutación activos (E.A) que se corresponden con una tensión no nula a la salida del inversor (2), y estados de conmutación nulos (E.N) que se corresponden con una tensión nula a la salida del inversor (2).
En el modo de control que se presenta en el diagrama de bloques de la figura 2, las órdenes de conmutación de los transistores (TR1, ... TR6) IGBTs se generan a partir de un bloque (C.F) de control del flujo de estator (ψs) del motor eléctrico (3) y de otro bloque (C.P) de control del par electromagnético (Tem) del motor eléctrico (3). De manera que mediante el bloque (C.F) de control se generan los estados de conmutación activos (E.A) y mediante el bloque (C.P) de control se generan los estados de conmutación nulos (E.N.).
El flujo de estator (ψs) se controla guiándolo según una trayectoria predefinida y por la aplicación de estados de conmutación nulos (E.N) de una forma sincronizada con dicha trayectoria predefinida. El par electromagnético (Tem) por su parte, se controla mediante un control por deslizamiento.
Para regular ambas variables, es decir el flujo de estator (ψs) y el par electromagnético (Tem) se utiliza una variable de control denominada nivel de histéresis de flujo (ψh1). Esta variable de control representa el umbral de comparación del flujo de estator instantáneo (ψs) para calcular los instantes de conmutación de los transistores (TR1, ... TR6) IGBTs. El nivel de histéresis de flujo (ψh1) se compara con el flujo de estator (ψs) en un bloque de comparación (C) para calcular los estados de conmutación activos (E.A) de los transistores (TR1, ... TR6) IGBTs.
El nivel de histéresis de flujo (ψh1) es función de dos variables, ψh1 =f(ψh1_ff , Δψh1), donde ψh1_ff es una componente de la histéresis de flujo (ψh1) calculada a partir de la expresión:
siendo: γ -la duración del estado de conmutación nulo de los transistores (TR1, ...TR6) IGBTs, coincidiendo este estado
con una tensión nula a la salida del inversor (2). Vbus -la tensión de bus del inversor (2). ωs -la velocidad angular del flujo de estator (ψs).
Δψh1 es una variación en la histéresis de flujo (ψh1) calculada en el bloque (C.P) de control en base a un control en lazo cerrado del par electromagnético (Tem).
La figura 3 muestra unos vectores espaciales del flujo de estator (ψs) y del flujo de rotor (ψr) del motor eléctrico
(3) representados en coordenadas fijas alfa-beta que representan un sistema trifásico en un plano de dos ejes. Es una figura explicativa del efecto de la aceleración/deceleración del flujo de estator (ψs) del motor eléctrico (3) sobre el par electromagnético (Tem) de dicho motor.
Mediante la variación del nivel de histéresis de flujo (ψh1) se puede acelerar o decelerar el vector de flujo de estator (ψs). Si el nivel de histéresis de flujo (ψh1) disminuye, se acelera el vector de flujo de estator (ψs) incrementando el ángulo (ρ) entre el flujo de rotor (ψr) y el flujo de estator (ψs). Este incremento en el ángulo (ρ) provoca un incremento en el par electromagnético (Tem) del motor eléctrico. Por el contrario, si el nivel de histéresis de flujo (ψh1) aumenta, se decelera el vector de flujo de estator (ψs) disminuyendo el ángulo (ρ) entre el flujo de rotor (ψr) y el flujo de estator (ψs). Esta disminución provoca una reducción del par electromagnético (Tem) del motor eléctrico (3).
Así, cuando se produce una variación en la tensión continua (Vcatenaria) de la catenaria, se produce una variación en la tensión de bus (Vbus) de los inversores (2) que provoca una brusca variación en el nivel de histéresis de flujo (ψh1), debido a la relación ya mencionada entre el nivel de histéresis de flujo (ψh1) y la tensión de bus (Vbus), lo cual a su vez provoca un aumento del flujo de estator (ψs) con su consiguiente pico de corriente y aumento del par electromagnético (Tem) del motor eléctrico (3).
Para poder responder a estas variaciones en la tensión de bus (Vbus) del inversor (2), se necesita un bloque de detección (D) de derivadas de la tensión de bus (Vbus). En la figura 4 se muestra un diagrama de bloques del control que actúa ante derivadas positivas en la tensión de bus (Vbus) del inversor (2) provocadas por variaciones en la tensión de la catenaria (Vcatenaria).
La forma de detectar estas derivadas consiste en comparar la diferencia entre la tensión de bus (Vbus)enese momento y el valor medio de la tensión de bus (Vbus_avg) con un umbral de detección. Este umbral de detección se define en función de la limitación requerida del pico de corriente en el motor eléctrico (3) y par electromagnético (Tem) en cada aplicación.
Cuando se detecta una derivada positiva en la tensión de bus (Vbus) se limita la componente (ψh1_ff ) del nivel de histéresis de flujo (ψh1) mediante un bloque de limitación (L). Esto evita que el nivel de histéresis de flujo (ψh1) evolucione con la misma rapidez que la tensión de bus (Vbus).
No obstante, al limitar la componente (ψh1_ff ), se limita el nivel de histéresis de flujo (ψh1), lo cual produce un aumento en la aceleración (ωs) del vector de flujo de estator (ψs) mayor que el que le corresponde para la tensión de bus (Vbus) de ese instante, tal y como se muestra en la siguiente ecuación:
Esta limitación de la variación del nivel de histéresis de flujo (ψh1) provoca un incremento en el par electromagnético (Tem) del motor eléctrico (3) tal y como se describió anteriormente.
En estos casos, para poder disminuir el par electromagnético (Tem) del motor eléctrico (3), la invención propone la inserción de vectores nulos híbridos que corresponden a estados de conmutación nulos (E.N.V) adicionales para forzar la generación de una tensión nula a la salida del inversor (2). Es decir, la inserción de un vector nulo híbrido equivale a detener el vector de flujo de estator (ψs), con lo que el ángulo (ρ) de desfase entre el flujo de rotor (ψr)yel flujo de estator (ψs) disminuye, y por lo tanto también lo hace el par electromagnético (Tem) del motor eléctrico (3).
Los vectores nulos híbridos se generan en el bloque de generación (G), de la manera indicada en la figura 5, así, los vectores nulos híbridos se insertan cuando el par electromagnético (Tem) ha superado un limite superior (Hybrid tem margin), y se desactivan cuando el par electromagnético (Tem) alcanza el nivel de par de referencia (Tem_ref). Este valor debe ser definido en función del máximo pico de par impuesto por la aplicación. Los vectores nulos híbridos garantizan el control del par electromagnético (Tem) dentro de los márgenes especificados, evitando que durante aumentos transitorios de la tensión de bus (Vbus) el par electromagnético (Tem) se descontrole.
Con todo ello así, los estados de conmutación nulos (E.N.V) adicionales provocados por la inserción de los vectores nulos híbridos se superponen a los estados de conmutación activos (E.A) calculados en el bloque de comparación (C), de manera que mediante la inserción de estos vectores nulos híbridos se provoca una tensión de salida nula en el inversor (2), lo que conlleva una disminución inmediata del par electromagnético (Tem) del motor eléctrico (3) evitando que se descontrole.
El método de regulación de la invención se aplica preferentemente para convertidores que presenten unos inversores con seis transistores IGBTs, aunque pudiera ser aplicado para otro tipo de topologías, u otros tipos de transistores, sin que el concepto de la invención se vea alterado por ello.

Claims (4)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Método de regulación del par electromagnético de motores eléctricos de tracción de vehículos ferroviarios, que emplea un convertidor (1) de tensión formado por unos inversores (2) que toman una tensión continua (Vcatenaria) para alimentar unos motores eléctricos (3) y controlar el par electromagnético (Tem) de dichos motores eléctricos (3), en donde los inversores (2) se componen de unos transistores (Tr1 ... Tr6) que conmutan entre estados de conmutación activos (E.A) que se corresponden con una tensión no nula a la salida del inversor (2), y estados de conmutación nulos
    (E.N) que se corresponden con una tensión nula a la salida del inversor (2), caracterizado porque el par electromagnético (Tem) de los motores eléctricos (3) se regula mediante la inserción selectiva de unos vectores nulos híbridos que generan estados de conmutación nulos (E.N.V) adicionales correspondientes con una tensión nula a la salida del inversor (2), disminuyendo así el par electromagnético (Tem) del motor eléctrico (3) ante variaciones en la tensión de la catenaria (Vcatenaria).
  2. 2.
    Método de regulación del par electromagnético de motores eléctricos de tracción de vehículos ferroviarios, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque los estados de conmutación nulos (E.N.V) adicionales generados por los vectores nulos híbridos se superponen a los estados de conmutación activos (E.A) de los transistores (Tr1 ... Tr6).
  3. 3.
    Método de regulación del par electromagnético de motores eléctricos de tracción de vehículos ferroviarios, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque los vectores nulos híbridos se insertan cuando el par electromagnético (Tem) del motor eléctrico (3) ha superado un límite superior (Hybrid tem margin), y se desactivan cuando el par electromagnético (Tem) alcanza un nivel de par de referencia (Tem_ref).
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201001061
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 12.08.2010
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : H02P21/12 (2006.01) B60L15/20 (2006.01)
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    1
    A
    EP 1393950 A2 (SIEMENS AG) 03.03.2004, figuras; reivindicación 1.
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 16.12.2011
    Examinador L. J. García Aparicio Página 1/5
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) H02P, B60L Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de
    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, XPI3E,XPIEE,XPESP
    OPINIÓN ESCRITA
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 16.12.2011
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 3 1,2 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-3 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    OPINIÓN ESCRITA
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    ZAIMEDDINE R; UNDELAND T, Direct Torque Control scheme for dual-three-phase induction motor. 2010 International Power Electronics Conference: IPEC-Sapporo 2010 -[ECCE Asia] ; Sapporo, Japón 21.06.2010. páginas 3007-3014, ISBN 978-1-4244-5394-8; ISBN 1-4244-5394-1. 21.06.2010
    D02
    GUANG-YE LI; JIAN-RU WAN; YING-PEI LIU; SHEN HONG; CHEN-HU YUAN, Permanent magnet synchronous motor direct torque control with zero vector based on inteligent method. Machine Learning and Cybernetics, 2009 International Conference on. Pub 12.07.2009. pg 755-760. ISBN 978-1-4244-3702-3; ISBN 1-4244-3702-4. 12.07.2009
    D03
    OZKOP E; OKUMUS H I. Direct torque control of induction motor using space vector modulation (SVM-DTC). Power System Conference, 2008. MEPCON 2008. 12th International Middle-East. 12.03.2008. PG 368-372. ISBN 978-1-4244-1933-3; ISBN 1-4244-1933-6. 12.03.2009
    D04
    ROMERAL L; FABREGA A; CUSIDO J; GARCIA A; ORTEGA J A. Torque ripple reduction in a PMSM driven by direct torque control . Power Electronics Specialists Conference, 2008. PESC 2008. IEEE, 15.06.2008. PG 4745-4751. ISBN 978-1-4244-1667-7; ISBN 1-4244-1667-1. 15.03.2008
    D05
    CARLOS ORTEGA; ANTONI ARIAS; JOSEP BALLCELLS; CEDRIC CARUANA; CYRIL SPITERI; JOSEPH CILIA. The Use of Small Voltage Vectors of Matrix Converters in Direct Torque Control of Induction Machines.12th International Power Electronics and Motion Control Conference. 01.08.2006. PG 314-319. ISBN 978-1-4244-0120-8; ISBN 1-4244-0120-8. 01.08.2006
    D06
    PODDAR G; RANGANATHAN V T. Direct Torque and Frequency Control of Double-Inverter-Fed Slip-Ring Induction Motor Drive. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, 01.02.2004. Vol, 51, nr. 6, pg 1329-1337. ISSN 0278-0046. 01.02.2004
    D07
    EP 1393950 A2 (SIEMENS AG) 03.03.2004
  4. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    El documento D1, que puede considerarse uno de entre los documentos del estado de la técnica que más se aproximan al objeto de la invención, describe un método de regulación del par electromagnético de un motor, que cuenta con una alimentación en tensión continua y tienen un inversor formado por transistores que conmutan entre estados de conmutación activos y estados de conmutación nulos, que se corresponden con una tensión nula a la salida del inversor, además cuenta con un sistema de control del par electromagnético que añade vectores de tensión cero, que producen una salida de tensión nula a la salida del inversor, regulando el par electromagnético ante variaciones de la tensión de la catenaria, ( en este documento se menciona ante variaciones del flujo del estator, que vendrá producida por variaciones de la tensión de alimentación).
    Si bien, en este documento D1, no se menciona que sea de aplicación para vehículos ferroviarios, se considera que no supone superación a problema técnico alguno la aplicación del método de regulación descrito en D1, en el ámbito de los vehículos ferroviarios.
    Similares consideraciones pueden hacerse respecto del documento D2, que divulga las características del método reivindicado.
    Iguales consideraciones se pueden hacer respecto de los documentos D3 a D6, que divulga las características del método reivindicado.
    OPINIÓN ESCRITA
    En consecuencia la materia de la reivindicación primera carece de novedad y actividad inventiva según lo establecido en los Art. 6.1 de la LP11/86, y Art. 8.1 de la LP11/86 respectivamente.
    Con respecto a la reivindicación segunda en el documento D1, se divulga la presencia de vectores de tensión no nulos y vectores de tensión nulos que se van a superpones a los estados de conmutación activos. Esto también se pone de manifiesto de modo relevante en el documento D3 (página 370).
    Por lo tanto, no se puede considerar que esta reivindicación cuente con novedad según lo establecido en el Art. 6.1 de la LP11/86, ni actividad inventiva según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP11/86
    En cuanto a la tercera reivindicación parece claro que una de las maneras de activación de los vectores nulos híbridos se insertan cuando el par electromagnético ha superado un cierto límite superior y se desactivan cuando el par electromagnético alcanza un nivel de par de referencia, y más sabiendo que la inserción de dichos vectores nulos lo que buscan es una regulación del par electromagnético.
    En consecuencia, la materia de esta reivindicación tercera carece de actividad inventiva según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP11/86.
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