ES2590878T3

ES2590878T3 - Sistema de control de un motor eléctrico síncrono

Info

Publication number: ES2590878T3
Application number: ES13727603.6T
Authority: ES
Inventors: Olivier DEFAIX; Thomas Devos
Original assignee: Schneider Toshiba Inverter Europe SAS
Current assignee: Schneider Toshiba Inverter Europe SAS
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2013-06-06
Publication date: 2016-11-23
Anticipated expiration: 2033-06-06
Also published as: FR2992121A1; WO2013186115A3; US9525368B2; EP2862269A2; CN104335477B; FR2992121B1; EP2862269B1; JP6224093B2; US20150084574A1; CN104335477A; WO2013186115A2; JP2015519869A

Abstract

Sistema (T1; LC; E1; T2; E2; BS; V1, V2, V3; MS) de control incluido en un variador (RD; A.B.C; REC; Cbus; L1, L2; INV) de velocidad conectado por unas fases (1, 2, 3) de salida con un motor (M) eléctrico síncrono, estando dicho motor (M) eléctrico síncrono controlado según una ley (LC) de control implementada mediante el variador de velocidad, determinándose una primera velocidad (W1s) del motor eléctrico síncrono mediante un primer estimador (E1) de velocidad, permitiendo un segundo estimador (E2) de velocidad determinar una segunda velocidad (W2s) del motor (M) eléctrico síncrono y estando previsto para recuperar la respuesta (I1, I2, I3) de corriente en las fases de salida, de cara a deducir de la misma la segunda velocidad (W2s) del motor eléctrico síncrono, caracterizándose dicho sistema de control porque consta de un módulo (MS) generador de señal previsto para generar una señal (Idest) de corriente de estimación no constante que se añade a una corriente (Idref) de flujo de referencia de modo que cree una corriente (Idref_c) de flujo de referencia corregido que se aplica en la entrada de la ley (LC) de control, ejecutándose dicha ley de control para determinar unas tensiones (V1, V2, V3) que hay que aplicar en las fases (1, 2, 3) de salida.

Description

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DESCRIPCION

Sistema de control de un motor electrico smcrono Campo tecnico de la invencion

La presente invencion se refiere a un sistema de control implementado en un variador de velocidad conectado a un motor electrico smcrono.

Estado de la tecnica

En un motor electrico smcrono, con par nulo, la corriente en el estator del motor es nula, pero el motor puede continuar girando y, por lo tanto, tener una velocidad no nula. En un contexto de seguridad funcional, es habitual monitorizar la velocidad de un motor electrico ejecutando dos algoritmos independientes, diferentes y redundantes. Cuando el motor electrico smcrono gira mientras la corriente en el estator es nula, la estimacion de la velocidad del motor con un algoritmo basado en la corriente en el estator puede resultar, por tanto, diffcil.

Unas tecnicas con inyecciones de alta frecuencia permiten estimar el angulo del motor y, por lo tanto, su velocidad de rotacion. Es el caso de la solicitud de patente US 2007/0236167A1. Uno de los inconvenientes de este metodo es la necesidad de un desacoplamiento suficiente de las escalas de tiempo (la inyeccion debe ser rapida con respecto a la frecuencia de rotacion). Tambien es preciso que las ondulaciones de corriente sean suficientes para pasar por alto los efectos no lineales de los sensores de corriente (cuantificacion, por ejemplo).

El objetivo de la invencion es ofrecer un sistema de control implementado en un variador de velocidad que permita estimar la velocidad de un motor electrico smcrono, incluso cuando el par es nulo, sin el conocimiento de los parametros del motor, ni inyeccion de alta frecuencia.

Descripcion de la invencion

Este objetivo se consigue mediante un sistema de control incluido en un variador de velocidad conectado por unas fases de salida a un motor electrico smcrono, estando dicho motor electrico smcrono controlado segun una ley de control implementada por el variador de velocidad, determinandose una primera velocidad del motor electrico smcrono mediante un primer estimador de velocidad, constando dicho sistema de un segundo estimador de velocidad que permite determinar una segunda velocidad del motor electrico smcrono y de un modulo generador de senal previsto para generar una senal de corriente de estimacion no constante que se anade a la corriente de flujo de referencia de modo que se cree una corriente de flujo de referencia corregida que se aplica en la entrada de la ley de control, ejecutandose dicha ley de control para determinar las tensiones que hay que aplicar en las fases de salida, estando el segundo estimador previsto para recuperar la respuesta de corriente en las fases de salida, con vistas a deducir de esta la segunda velocidad del motor electrico smcrono.

De manera preferente, la senal de corriente es de tipo sinusoidal de baja frecuencia con respecto a la frecuencia del motor electrico. La frecuencia de la senal inyectada debe ser inferior a la frecuencia del motor, por ejemplo en una proporcion de diez.

De manera preferente, la senal de corriente es no generadora de par.

Segun una particularidad, el sistema consta de un bloque de seguridad previsto para comparar la primera velocidad y la segunda velocidad determinadas para el motor electrico smcrono.

Segun otra particularidad, el primer estimador de velocidad esta previsto en una ley de control implementada por el sistema de control.

Segun la invencion, el modulo generador de senal se activa mediante el segundo estimador, mediante un control externo o esta activo de forma permanente.

Breve descripcion de las figuras

Se van a mostrar otras caractensticas y ventajas en la descripcion detallada que viene a continuacion hecha en relacion con los dibujos adjuntos, en los que:

- la figura 1 representa el sistema de control de la invencion;

- las figuras 2A y 2B representan unas curvas de simulacion establecidas sin el sistema de control de la invencion;

- las figuras 3A y 3B representan unas curvas de simulacion establecidas con el sistema de control de la invencion.

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Descripcion detallada de al menos una forma de realizacion

La invencion se refiere a un sistema de control implementado en un variador de velocidad para el control de un motor electrico smcrono.

De manera conocida, un variador de velocidad consta de:

- tres fases A, B, C de entrada conectadas a una red RD de distribucion electrica;

- un modulo REC rectificador situado en la entrada y destinado a convertir una tension alterna suministrada por la red RD de distribucion electrica en una tension continua;

- un bus continuo de alimentacion conectado, aguas arriba, al modulo REC rectificador y, aguas abajo, al modulo INV inversor y que consta de dos lmeas L1, L2 de alimentacion entre las que se aplica la tension continua;

- un condensador Cbus de bus conectado a las dos lmeas L1, L2 de alimentacion y encargado de mantener la tension continua del bus a un valor constante;

- un modulo INV inversor conectado por tres fases 1, 2, 3 de salida al motor M electrico smcrono y controlado por unas senales de control generadas por una unidad de control que implementa una ley LC de control determinada. El modulo INV inversor de un variador de velocidad consta de varios brazos de conmutacion, por ejemplo un total de tres si el motor M es trifasico. Cada brazo de conmutacion consta de dos transistores de potencia, por ejemplo de tipo IGBT (del ingles “Insulated Gate Bipolar Transistor”, transistor bipolar de puerta aislada), cada uno controlado por un dispositivo de control que recibe unas senales de control por parte de la unidad de control.

La invencion se aplica a un variador de velocidad que funciona segun una ley de control en bucle abierto. Esta presenta un especial interes en un marco de seguridad funcional.

En bucle abierto, un primer estimador ejecutado por la unidad de control permite determinar una primera velocidad W1s estimada del motor M electrico smcrono. Para estimar la velocidad del motor electrico smcrono, este primer estimador E1 de velocidad se basa por ejemplo en la ley LC de control o en unas mediciones de tension en las fases 1, 2, 3 de salida si dichos datos estan disponibles.

En un contexto de seguridad funcional, es necesario un segundo estimador E2 para determinar una segunda velocidad W2s estimada del motor electrico smcrono. El sistema de control consta de un bloque BS de seguridad que permite comparar la segunda velocidad W2s estimada y la primera velocidad W1s estimada. Si aparecen divergencias entre las dos velocidades estimadas, el bloque BS de seguridad tendra, por ejemplo, que detener el motor M electrico smcrono.

En el campo de la seguridad funcional, con vistas a evitar cualquier punto comun de avena, los dos estimadores E1, E2 son diferentes, en su principio de funcionamiento y en su realizacion.

La monitorizacion de la velocidad mediante los dos estimadores E1, E2 redundantes con diferentes objetivos, previstos en una norma conocida (por ejemplo, la norma IEC 61800-5-2), como por ejemplo el lfmite de velocidad segura (SLS, del ingles “Safe Limited Speed”) o la parada segura (SS1, del ingles “Safe Stop 1”).

En un motor M electrico smcrono, la corriente en el estator es nula cuando el par es nulo. Sin embargo, en esta situacion, el motor M puede no obstante estar aun girando y, por lo tanto, tener una velocidad no nula. La estimacion de la velocidad del motor electrico smcrono con par nulo no puede, por lo tanto, realizarse basandose en la corriente en el estator.

Segun la invencion, cuando el par es nulo, el segundo estimador E2 de velocidad permite estimar la velocidad del motor electrico smcrono mientras que la corriente en el estator es nula. El sistema esta previsto para aplicar, en las fases 1, 2, 3 de salida, unas tensiones V1, V2, V3 representativas de una senal de corriente, denominada senal Idest de corriente de estimacion, no generadora de par, y para medir la respuesta de corriente en las fases de salida, con vistas a deducir de esta una velocidad del motor electrico smcrono.

Esta senal Idest de corriente de estimacion se aplica en la direccion del flujo permanente del iman del motor M electrico smcrono, es decir a lo largo del eje d del control, denominado eje de flujo. La aplicacion de una corriente en la direccion del flujo del iman permite no crear perturbaciones en el motor M cuando este esta en marcha.

Segun la invencion, la senal Idest de corriente de estimacion es no constante, de manera preferente sinusoidal. Por senal no constante, se entiende una senal cuya derivada no es nula en un periodo determinado. De este modo sera independiente de la ley de control, de los parametros del motor M electrico smcrono y de la limitacion de tension. En efecto, en funcion de la ley LC de control, el valor medio de la corriente de flujo no es necesariamente igual a la corriente de flujo real. Es, por lo tanto, posible tener una corriente nula en las fases de salida aunque la consigna sea no nula y constante. Una senal no constante permite superar este problema y garantizar una senal real no nula (salvo en algunos puntos) que permite estimar la velocidad del motor.

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Ademas, la senal Idest de corriente de estimacion es de manera preferente no generadora de par. Por senal de corriente no generadora de par, se entiende una senal que tiene una frecuencia suficientemente lenta para no crear ninguna perturbacion de par.

Su amplitud puede ser fija, por ejemplo seleccionada en funcion de la corriente nominal del motor electrico smcrono, o variable, teniendo en cuenta las corrientes medidas en las fases de salida.

En referencia a la figura 1, la senal Idest de corriente de estimacion procede de un modulo MS generador de senal. El modulo MS generador de senal genera la senal Idest de corriente de estimacion que se anade a la corriente Idref de flujo de referencia, normalmente aplicada en la entrada de la ley LC de control. La corriente Idf de flujo de referencia corregida que se aplica en la entrada de la ley LC de control es, por lo tanto, representativa de la senal Idest de corriente de estimacion evocada con anterioridad. De manera conocida, a partir de la corriente Idf de flujo de referencia corregida y de las mediciones de las corrientes Id de flujo y Iq de par (obtenidas despues de las transformaciones T1), la ley LC de control determina las tensiones que hay que aplicar en las fases 1, 2, 3 de salida, por ejemplo a traves de las transformaciones T2 de Concordia y Park. De este modo, las tensiones V1, V2, V3 calculadas se aplican en las fases de salida mediante el control de MAP (Modulacion por Ancho de Pulso) del modulo INV inversor.

El segundo estimador E2 de velocidad recupera la medicion de al menos dos corrientes 11, 13 inyectadas en las tres fases del motor M y a continuacion determina, unicamente a partir de estas mediciones, la segunda velocidad W2s estimada del motor M electrico smcrono (sin utilizar datos de motor). La determinacion de la segunda velocidad se realiza empleando un bucle de enganche de fase (PLL, del ingles “Phase Locked Loop”).

Como se ha descrito con anterioridad, la primera velocidad W1s estimada del motor electrico procede, por ejemplo, directamente de la ley LC de control. El bloque BS de seguridad compara a continuacion la primera velocidad W1s estimada y la segunda velocidad W2s estimada. Si aparecen divergencias, el bloque BS de seguridad puede tener que detener el motor, por ejemplo mediante el bloqueo del modulo inversor.

La inyeccion de la senal Idest de corriente de estimacion permite que el segundo estimador E2 de velocidad conserve una segunda estimacion de la velocidad mientras el par es nulo y, por lo tanto, implementar unos principios de seguridad funcional en todo el intervalo de funcionamiento del motor M electrico smcrono.

El modulo MS generador de senal puede estar activo de forma permanente o activarse solamente cuando el par es nulo y, por lo tanto, cuando la corriente en el estator es nula. Podra, por ejemplo, activarse mediante el segundo estimador E2 o mediante un control externo. Cuando el par no es nulo y cuando se puede detectar una corriente en el estator, la generacion de la senal Idest de corriente no es, en efecto, necesaria ya que es posible estimar la velocidad del motor M electrico smcrono a partir de la corriente en el estator.

Las figuras 2A, 2B, 3A y 3B ilustran el interes de la invencion.

En las figuras 2A y 2B, no se implementa el segundo estimador de la invencion. Se puede ver que entre el decimo y el vigesimo segundo, la corriente de motor es nula. La velocidad estimada del motor se considera entonces nula cuando en realidad la velocidad real del motor no lo es. El error en la velocidad del motor es, por lo tanto, importante e incompatible con unos principios de seguridad funcional.

En las figuras 3A y 3B, se implementa el segundo estimador de la invencion. Por lo tanto, se aplica una corriente Id de flujo sinusoidal y las corrientes 11, 12 y 13 pueden, por lo tanto, observarse en las fases de salida. Por lo tanto, se puede ver una corriente de motor, que no genera ningun par. La curva de velocidad estimada del motor esta proxima a la curva de velocidad real del motor, lo que permite minimizar el error en la velocidad y, por lo tanto, garantizar un cierto nivel de seguridad.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Sistema (T1; Lc; E1; T2; E2; BS; V1, V2, V3; MS) de control incluido en un variador (RD; A.B.C; REC; Cbusi L1, L2;

INV) de velocidad conectado por unas fases (1, 2, 3) de salida con un motor (M) electrico smcrono, estando dicho motor (M) electrico smcrono controlado segun una ley (LC) de control implementada mediante el variador de velocidad, determinandose una primera velocidad (W1s) del motor electrico smcrono mediante un primer estimador (E1) de velocidad, permitiendo un segundo estimador (E2) de velocidad determinar una segunda velocidad (W2s) del motor (M) electrico smcrono y estando previsto para recuperar la respuesta (I1, I2, I3) de corriente en las fases de salida, de cara a deducir de la misma la segunda velocidad (W2s) del motor electrico smcrono, caracterizandose dicho sistema de control porque consta de un modulo (MS) generador de senal previsto para generar una senal (Idest) de corriente de estimacion no constante que se anade a una corriente (Idref) de flujo de referencia de modo que cree una corriente (Idfc) de flujo de referencia corregido que se aplica en la entrada de la ley (LC) de control, ejecutandose dicha ley de control para determinar unas tensiones (V1, V2, V3) que hay que aplicar en las fases (1,2, 3) de salida.
2. Sistema segun la reivindicacion 1, caracterizado porque la senal (Idest) de corriente es de tipo sinusoidal de baja frecuencia con respecto a la frecuencia del motor.
3. Sistema segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque la senal de corriente no es generadora de par.
4. Sistema de control segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque consta de un bloque (BS) de seguridad previsto para comparar la primera velocidad (W1s) y la segunda velocidad (W2s) determinadas para el motor electrico smcrono.
5. Sistema de control segun la reivindicacion 1, caracterizado porque el primer estimador (E1) de velocidad esta previsto en una ley (LC) de control implementada por el sistema de control.
6. Sistema de control segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el modulo generador de senal es activado por el segundo estimador.
7. Sistema de control segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el modulo generador de senal es activado por un control externo.
8. Sistema de control segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el modulo (MS) generador de senal esta activo de forma permanente.