ES2651840T3 - Método para comprobar el funcionamiento de un freno de parada de un motor eléctrico - Google Patents

Método para comprobar el funcionamiento de un freno de parada de un motor eléctrico Download PDF

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Abstract

Método para probar el funcionamiento de un freno de parada (2) de un motor eléctrico (1), en el que con el freno de parada (2) cerrado se aplican corrientes de fase (isu, isv, isw) en el motor eléctrico (1) para generar un fasor espacial de corriente (is) en magnitud y ángulo, y se comprueba si el freno de parada (2) se desliza con las corrientes de fase (isu, isv, isw) aplicadas, caracterizado porque las corriente de fase (isu, isv, isw) se hacen variar de manera que fasor espacial de corriente (is) gire con el freno de parada (2) cerrado, de modo que el fasor espacial de corriente (is) sea al menos una vez perpendicular a la dirección del flujo del rotor (d).

Description

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DESCRIPCION
Metodo para comprobar el funcionamiento de un freno de parada de un motor electrico
La presente invencion se refiere a un metodo para comprobar el funcionamiento de un freno de parada de un motor electrico, en el que cuando el freno de parada esta cerrado, se aplican corrientes de fase en el motor electrico para generar un fasor espacial de corriente en magnitud y angulo, y se comprueba si el freno de parada se desliza con las corrientes de fase aplicadas.
En muchas maquinas, existen partes en movimiento que son accionadas por motores electricos. A menudo se dispone de frenos de parada para fijar en su posicion un eje movil de la maquina. El freno de parada puede disenarse como un componente separado, o tambien puede estar integrado en el propio motor electrico. La funcion del freno de parada, especialmente en ciertas zonas criticas para la seguridad, debe estar garantizada con el fin de evitar danos a las personas y la maquina. Sin embargo, el freno de parada esta sujeto a desgaste, como por ejemplo el que se produce en las pastillas de freno, lo que modifica el comportamiento de frenado. Ademas, el funcionamiento del freno de parada puede verse afectado debido a la contaminacion externa, por ejemplo, debido al aceite o a danos. Por lo tanto, es habitual que se requiera una prueba de funcionamiento periodica del freno de parada, por ejemplo, en intervalos de tiempo regulares o cada vez que se vaya a realizar un cierto movimiento de la maquina, con el fin de asegurar que el freno de parada todavia puede aplicar suficiente accion de frenado. En caso de que el freno de parada no supere la prueba de funcionamiento, lo habitual es que la maquina se deje apagada y fuera de servicio.
En el documento DE 102005015608 A1 se propone un metodo en el que el motor electrico controla el eje accionado con un par motor, y se comprueba por el codificador de posicion de la unidad si el freno de parada es capaz de mantener el par motor. En caso de que el freno de parada se deslice, esto se interpreta como un fallo del freno de parada. El par motor se aumenta asi gradualmente hasta que el freno de parada empiece a deslizarse, de modo que el ultimo par motor que era capaz de sostener se considera como la fuerza de retencion maxima del freno de parada, que puede ser comparada con una fuerza de retencion nominal concreta.
En el documento DE 102007005827 A1 se describe un procedimiento para una prueba de funcionamiento de un freno de parada de un motor electrico que mueve una carga suspendida. Con el fin de considerar la carga durante la prueba de funcionamiento, primero se determina el efecto de la carga, de forma que el motor electrico se controla para que la carga no se mueva cuando el freno esta abierto. La corriente que necesita el motor para ello se almacena como un valor de referencia. A continuacion, con el freno cerrado, el motor electrico se comanda con un multiplo de este valor de referencia y se comprueba a traves de un sensor de angulo si la unidad se esta moviendo.
Tambien en el documento DE 19756752 A1 se describe una prueba de funcionamiento de un freno de parada en la que, con el freno de parada cerrado, se aplica una corriente de arranque que produce un cierto par motor. Si el rotor del motor electrico gira y, por lo tanto, se produce un funcionamiento incorrecto del freno de parada, esto se puede detectar mediante la medicion de la tension del motor, o por medio de un codificador giratorio (encoder).
En base al estado actual de la tecnica, se aplica una corriente al motor cuando el freno de parada esta cerrado, con el fin de producir un determinado par motor. En particular, en motores electricos polifasicos, la corriente del motor debe aplicarse mientras se mantiene el motor electrico correctamente inmovilizado vectorialmente (en magnitud y angulo), con el fin de producir el par motor esperado. La corriente del estator se obtiene a partir de la suma vectorial de cada una de las corrientes de fase individuales y se denomina fasor espacial de corriente is. Mediante la conocida transformacion de Clarke y/o Park se puede transformar el fasor espacial de corriente en el sistema de coordenadas a jp de estator fijo y/o en el sistema de coordenadas dq de rotor fijo. Para la transformacion de Park se requiere la posicion absoluta del rotor con respecto al estator, la cual se puede medir normalmente mediante un dispositivo de medicion de angulos. Gracias al uso del sistema de coordenadas de rotor fijo dq, se consigue que el fasor espacial de corriente en el sistema de coordenadas dq de rotor fijo tenga solo una componente q que genera el par (normal a la direccion d del flujo del rotor). Esto se garantiza mediante la regulacion del accionamiento, de manera que la corriente del estator gira con el sistema de coordenadas dq de rotor fijo.
Debido a los fallos de conmutacion, a los fallos en el control del motor o a los fallos en la regulacion del accionamiento es posible que el fasor espacial de corriente real incluya una componente d. Esto significa que la componente q es menor que el modulo del fasor espacial de corriente, con lo que el par motor es menor en magnitud de lo esperado y/o predeterminado. Al realizar la prueba del freno esto significa que solo con la conmutacion correcta, y cuando no se produce ningun fallo, se puede suponer que la corriente aplicada al estator y/o las corrientes de fase aplicadas que se conocen o se pueden medir son proporcionales al par en el eje del motor.
Por ejemplo, se debe asumir un error angular Uerr entre el sistema de coordenadas d'q' de rotor fijo (donde d' representa la direccion del flujo del rotor) y el sistema de coordenadas dq. Para un motor sincrono de iman permanente en control vectorial se cumple que M = Kt is cos Uerr. Idealmente Uerr= 0 y, por lo tanto, el par motor M sobre la constante del motor Kt es directamente proporcional a la componente de corriente que genera el par (corriente del estator). Sin embargo, en caso de error, Uerr^ 0, lo que hace que el par motor sea menor en magnitud.
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Es decir, una prueba del freno para comprobar el funcionamiento de un freno de parada en base a las corrientes de fase medidas y/o el fasor espacial de corriente resultante is no es suficientemente segura con el estado actual de la tecnica.
Es por tanto un objeto de la presente invencion mejorar la seguridad de una prueba de funcionamiento de un freno de parada de un motor electrico.
Este objeto se resuelve en base a la presente invencion haciendo que las corrientes de fase se varien, de manera que el fasor espacial de corriente gire con el freno de parada cerrado, de modo que el fasor espacial de corriente sea al menos una vez normal (perpendicular) a la direccion del flujo del rotor. De esta manera se puede garantizar que al menos una vez el par deseado para la prueba de funcionamiento del freno de parada esta realmente presente.
En el caso mas sencillo, cuando no se aplica ninguna carga externa, es suficiente hacer girar el fasor espacial de corriente un angulo de al menos 180°. En el caso de una carga externa o una prueba de funcionamiento con un par en una determinada direccion, el fasor espacial de corriente rotara un angulo de al menos 360°.
Resulta ventajoso en la prueba de funcionamiento que el ciclo electrico se dividida en sectores y el fasor espacial de corriente permanezca durante la prueba de funcionamiento en cada sector durante un tiempo determinado, puesto que asi se puede asegurar que el par que se quiere establecer realmente se ha establecido.
La presente invencion se explica a continuacion haciendo referencia a las Figuras 1 a 8 en mas detalle, que a modo de ejemplo muestran de forma esquematica y no limitante implementaciones ventajosas de la invencion. Se muestra:
en la figura 1, una unidad de accionamiento tipica con motor electrico, carga y freno de parada,
en la figura 2, el fasor espacial de corriente resultante para las corrientes de fase aplicadas,
en la figura 3 y en la figura 4, la rotacion del fasor espacial de corriente,
en la figura 5, la rotacion del fasor espacial de corriente con carga externa,
en la figura 6, una rotacion casi continua y discreta del fasor espacial de corriente, y
en la figura 7 y en la figura 8, la division del ciclo electrico en sectores.
La figura 1 muestra esquematicamente una unidad de accionamiento con un motor electrico 1, que esta conectado a una carga 5 a traves de un eje motor 4. El motor electrico 1 genera un par motor Mw en el eje motor 4 y la carga 5 un par de carga Ml. En el eje motor 4, que se muestra aqui en el otro extremo del motor electrico 1, se ha dispuesto un freno de parada 2, en base a una cierta implementacion arbitraria. Asi mismo se ha previsto la inclusion de un codificador rotatorio 3 para medir el angulo de rotacion. Como es logico, la disposicion axial del motor electrico 1, el freno de parada 2 y el codificador rotatorio 3 puede cambiarse de manera arbitraria. Tambien es concebible que el freno de parada 2 y/o el codificador rotatorio 3 esten integrados en el motor electrico 1, aunque estos tambien pueden estar conectados mecanicamente de una manera diferente, por ejemplo, a traves de un mecanismo de transmision.
Un controlador de motor 6 controla el motor electrico 1 a traves de la electronica de potencia 7, por lo general un inversor. Para ello, se puede predeterminar, por ejemplo, un par motor Mw en el controlador de motor 6, que luego es aplicado por la electronica de potencia 7 en forma de corrientes de fase isu, isv, isw para generar el par motor Mw. Las corrientes de fase isu, isv, isw generan un fasor espacial de corriente is con una magnitud y un angulo p, como se describe en mas detalle en la figura 2.
Idealmente, el fasor espacial de corriente is de la componente de corriente iq que genera el par en el sistema de coordenadas de rotor fijo dq coincide en magnitud y angulo, es decir, is = iq. Sin embargo, debido a diversos errores se produce un cierto error (sistema de coordenadas d'q') que se traduce en que la corriente del estator is tambien contiene una componente d id '. Por lo tanto, se cumple que iq• = is cos (Oerr) y la componente de la corriente iq que genera el par, y, por tanto, tambien el par motor Mw, que es generado por el motor electrico 1 y se aplica sobre el eje motor 4, tiene una magnitud menor de lo esperado debido a las corrientes de fase aplicadas y/o medidas isu, isv, isw.
Para tener esto en cuenta en la prueba de funcionamiento del freno de parada 2 se proporciona ahora el fasor espacial de corriente is, por ejemplo, mediante la variacion adecuada de las corrientes de fase isu, isv, isw, para girar con el freno de parada 2 cerrado, de modo que se asegura que el fasor espacial de corriente actual is indica al menos una vez la direccion q (normal a la direccion de flujo del rotor d) y, en consecuencia, se cumple al menos una vez que is = iq, como se muestra en la figura 3.
Ademas, se pueden distinguir dos casos: una prueba del freno sin carga externa y una prueba del freno con carga
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externa (como se muestra en la figura 1 en forma del par de carga Ml).
En la prueba del freno sin carga externa es suficiente que el fasor de corriente se haga girar 180°, si la direccion de la carga es irrelevante, para asegurar que el fasor espacial de corriente is indique al menos una vez la direccion q, como se desprende de la figura 4. Sin embargo, si el freno de parada 2 se prueba con un par en una direccion particular, el fasor espacial de corriente is tambien debe ser girado en este caso 360° para probar el funcionamiento del freno de parada 2 de forma segura.
En la implementation que se muestra a modo de ejemplo en la figura 4, la corriente del estator is se hace girar, por ejemplo, 360° y en el eje q del sistema de coordenadas de rotor fijo, siendo iq = \is\ sen (p - #•). De esta forma, la componente de la corriente iq que genera el par alcanza el maximo is = iq al menos una vez, con lo que el par motor que se desea Mw = Kt is se genera al menos una vez durante la prueba del freno de parada 2.
En caso de que exista una carga externa 5 conectada a la unidad de accionamiento, el par de carga especffico Ml hace que el freno de parada 2 ya este sometido a una carga basica. Esta carga basica se puede expresar como una corriente equivalente al par Iml. El par motor se ve reducido en esa magnitud, debiendo proporcionarla a la unidad de accionamiento durante la prueba del freno. La forma de onda de la corriente equivalente al par itest vista por el freno de parada 2 es la suma de la carga basica externa iML y la parte de la corriente iq del estator generada por el par, hest = iML + \is\ sen (p - 3err) como se muestra en la figura 5. Asf, se puede suponer que la carga externa 5 es conocida.
Si el fasor espacial de corriente is gira 360 °, la componente de la corriente iq que genera el par pasa al menos una vez por su valor maximo is = iq.
Para la prueba de funcionamiento del freno de parada 2, por ejemplo, se comprueba a traves del codificador rotatorio 3, si el freno de parada 2 se desliza mientras el fasor espacial de corriente is rota. Si el codificador rotatorio 3 detecta a un gran cambio en el angulo, esto se interpreta como un deslizamiento del freno de parada 2 y la prueba de funcionamiento termina con un mensaje de error, por ejemplo, mediante el establecimiento de un bit de estado. La variation del angulo que se permite se puede determinar de antemano. El mensaje de error puede ser transmitido, por ejemplo, al controlador del motor 6, que puede entonces llevar a cabo una action apropiada, por ejemplo, la activation de una emergencia, informar a un sistema de control superior, senalizar el fallo de la prueba, etc. Como es logico, la prueba de funcionamiento tambien puede llevarse a cabo y/o ejecutarse desde el controlador de motor 6. Aunque tambien puede estar previsto que otra unidad lleve a cabo la prueba de funcionamiento, por ejemplo, un control del motor seguro.
Para la implementacion concreta de la prueba de funcionamiento descrita anteriormente, el angulo p del fasor espacial de corriente is puede ser cambiado casi continuamente o en pasos discretos, como se muestra en la figura 6 y en la figura 7.
El ciclo electrico (360°) se divide en n sectores Sn, por ejemplo, dieciocho sectores como se muestra en la figura 7. Durante la prueba del freno (y para que la prueba de funcionamiento sea valida) esta previsto que el fasor espacial de corriente is deba permanecer en cada sector Sn durante un cierto tiempo de permanencia, para que el par motor Mw se pueda establecer correctamente. El tamano de sector o el numero de sectores se pueden determinar a partir de un error maximo tolerable f, como se explica en la figura 8. De modo que para un sector de tamano a se cumple la siguiente relation:
f
a = ±arccos(l------) ,
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donde f tiene un valor en tanto por cien.
De este modo, se garantiza que durante el tiempo de permanencia en un sector Sn se aplica el par motor, con un cierto error f que depende del tamano del sector a. Cuanto mas pequenos sean los sectores Sn en los que se ha dividido el ciclo, menor es el error maximo f, si bien esto hace que el tiempo total de la prueba aumente, puesto que el fasor espacial de corriente is deba permanecer en cada sector Sn el tiempo correspondiente. Por lo que se debe encontrar un equilibrio razonable entre la precision de la prueba y su duration.
El tiempo de permanencia requerido depende de la aplicacion y del freno de parada 2 utilizado, y debe establecerse en base a los datos proporcionados por el fabricante o en base a calculos propios, y, en cualquier caso, bajo la responsabilidad del propio usuario. Lo mismo aplica para la ventana de tolerancia que se considera para los cambios en el angulo.
Como una primera aproximacion para el calculo se puede utilizar el equilibrio del par y la tolerancia del cambio del angulo. Con estos valores se puede calcular cuanto tiempo tiene que aplicarse un par motor para acelerar la inercia del rotor del motor electrico 1, y si fuera necesario, de una carga 4, para cubrir el cambio en el angulo mfnimo
medible.
Ademas, se puede contar con una carga externa 5 que determina el par de carga Ml, que hace que la carga externa 5 quede en estado de reposo, por ejemplo con un metodo como el que se describe en el documento DE 5 102007005827 A1. Si bien el par de carga Ml se puede suponer conocido para muchas aplicaciones. Asi se puede
almacenar un fasor espacial de corriente is que corresponde con la corriente Iml equivalente al par del par de carga Ml, y el par motor resultante se puede medir, o se puede comprobar si la carga externa almacenada por este fasor espacial de corriente is esta en estado de reposo. De este modo se puede verificar la conmutacion y/o la constante del par motor Kt, por ejemplo, mediante la comparacion de la carga externa 5 (conocida) y el par de carga Ml con el 10 par motor medido, es decir, se puede identificar de esta manera una conmutacion erronea cuando los dos pares difieren.
Las implementaciones anteriores son igualmente aplicables para un motor lineal, puesto que desde el punto de vista tecnico de la regulacion no hay ninguna diferencia entre un motor giratorio y un motor implementado de forma lineal. 15 Se puede entender el motor lineal como un motor «desbobinado». Los tres devanados (las fases) estan por lo general (para motor de estator corto) incluidos a lo largo de la guia, y producen una «densidad de corriente» sinusoidal (flujo magnetico) en el espacio de aire que los separa. Los imanes permanentes estan alineados en la parte fija del motor. En un motor de estator largo es exactamente al reves. Una vuelta electrica corresponde a la longitud del par de polos y se convierte internamente, de modo que tambien se puede hablar de una «rotacion del 20 fasor espacial de tensions. El fasor espacial de corriente actual se encuentra idealmente de nuevo casi perpendicular a la direccion del flujo. La constante del par motor es aqui equivalente a una constante de fuerza y el motor lineal no genera ningun par motor M sino una fuerza F. El metodo para la prueba de funcionamiento de un freno de parada puede, por tanto, utilizarse igualmente y de una forma equivale en el caso de un motor lineal.

Claims (3)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Metodo para probar el funcionamiento de un freno de parada (2) de un motor electrico (1), en el que con el freno de parada (2) cerrado se aplican corrientes de fase (isu, isv, isw) en el motor electrico (1) para generar un fasor 5 espacial de corriente (is) en magnitud y angulo, y se comprueba si el freno de parada (2) se desliza con las corrientes de fase (isu, isv, isw) aplicadas, caracterizado porque las corriente de fase (isu, isv, isw) se hacen variar de manera que fasor espacial de corriente (is) gire con el freno de parada (2) cerrado, de modo que el fasor espacial de corriente (is) sea al menos una vez perpendicular a la direccion del flujo del rotor (d).
    10 2. Metodo segun la reivindicacion 1, caracterizado porque las corrientes de fase (isu, isv, isw) se hacen variar, de modo
    que el fasor espacial de corriente (is) rote un angulo de al menos 180°.
  2. 3. Metodo segun la reivindicacion 1, caracterizado porque las corrientes de fase (isu, isv, isw) se hacen variar, de modo que el fasor espacial de corriente (is) rote un angulo de al menos 360°.
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  3. 4. Metodo segun una de las reivindicaciones de la 1 a la 3, caracterizado porque el ciclo electrico se divide en sectores (Sn) y el fasor espacial de corriente (is) permanece durante la prueba de funcionamiento un determinado tiempo de permanencia en cada sector (Sn).
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