ES2897640T3 - Procedimiento de control implementado en un variador de velocidad para la deceleración de un motor eléctrico - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de control implementado en un variador de velocidad conectado a un motor eléctrico, comprendiendo dicho variador de velocidad: - varias fases de entrada (U, V, W) adecuadas para la conexión a una red de distribución eléctrica (1), - una etapa rectificadora (REC) conectada a las fases de entrada (U, V, W) y dispuesta para rectificar una tensión suministrada por la red de distribución eléctrica, - un bus de alimentación de corriente continua conectado a la etapa rectificadora (REC), comprendiendo el bus de alimentación de corriente continua una primera línea de alimentación (L1) y una segunda línea de alimentación (L2), definiendo entre ellas una tensión (Vbus) del bus de alimentación de corriente continua, - un condensador de bus (C) conectado a la primera línea de alimentación y a la segunda línea de alimentación y dispuesto para mantener la tensión del bus de alimentación de corriente continua en un valor constante, - una etapa inversora (INV) conectada aguas abajo del bus de alimentación de corriente continua y que comprende varios brazos de conmutación, - varias fases de salida dispuestas para conectar la etapa inversora con el motor eléctrico, - una unidad de control (UC) de la etapa inversora, dispuesta para controlar los brazos de conmutación de la etapa inversora para suministrar una tensión variable al motor eléctrico a partir de una ley de control, - un dispositivo de precarga conectado en serie con el condensador de bus (C) y que comprende una resistencia de precarga (R) y un interruptor (Sw) conectado en paralelo a dicha resistencia de precarga (R), caracterizado porque el procedimiento consiste en controlar la etapa inversora (INV) de manera que se controla la corriente (I) que fluye a través de la resistencia de precarga (R) durante la deceleración del motor, controlándose dicha corriente (I) teniendo en cuenta la tensión (Vbus) del bus de alimentación de corriente continua y un valor de referencia óptimo (Vbus_ref).
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento de control implementado en un variador de velocidad para la deceleración de un motor eléctrico Campo técnico de la invención
La presente invención se refiere a un procedimiento de control implementado en un variador de velocidad y a un variador de velocidad adecuado para implementar dicho procedimiento de control.
Estado de la técnica
Un variador de velocidad está destinado a controlar un motor eléctrico. Se compone principalmente de una etapa rectificadora de entrada, una etapa inversora de salida y un bus de alimentación de corriente continua que conecta la etapa rectificadora con la etapa inversora. La etapa rectificadora suele consistir en un puente de diodos y la etapa inversora tiene varios brazos de conmutación, cada uno de ellos controlado por una unidad de control, para proporcionar una tensión variable al motor eléctrico. El variador de velocidad también tiene un condensador de bus conectado a una primera línea de alimentación y a una segunda línea de alimentación del bus de alimentación de corriente continua.
Cuando el motor eléctrico desacelera, la energía mecánica de la desaceleración se devuelve al variador de velocidad como energía eléctrica. Un variador de velocidad cuya una etapa rectificadora es un puente de diodos que no permite que esta energía eléctrica se devuelva a la red de distribución eléctrica. Para disipar esta energía eléctrica y proteger la etapa inversora, se utilizan dos soluciones conocidas:
- La primera solución es utilizar una resistencia de frenado para disipar la energía eléctrica devuelta por el motor eléctrico durante su deceleración. Esta solución requiere que el variador de velocidad esté equipado con transistores de frenado.
- La segunda solución consiste en modificar el recorrido de deceleración del motor eléctri
eléctrica que se devuelve al variador de velocidad.
La segunda solución es ventajosa porque no requiere un dispositivo de frenado dedicado que puede ser costoso. Sin embargo, el tiempo de deceleración del motor eléctrico puede ser largo, ya que está relacionado simplemente con las pérdidas mecánicas y eléctricas que se producen en el motor eléctrico.
El objetivo de la invención es proporcionar una solución para reducir el tiempo de deceleración del motor eléctrico, sin utilizar un dispositivo de frenado dedicado como en el estado de la técnica. El documento FR 2982096 describe el estado de la técnica correspondiente a los preámbulos de las reivindicaciones independientes
Divulgación de la invención
Este objetivo se consigue mediante un procedimiento de control implementado en un variador de velocidad conectado a un motor eléctrico, comprendiendo dicho variador de velocidad:
- varias fases de entrada capaces de conectarse a una red de distribución eléctrica,
- una etapa rectificadora conectada a las fases de entrada y dispuesta para rectificar una tensión suministrada por la red de distribución eléctrica,
- un bus de alimentación de corriente continua conectado a la etapa rectificadora, comprendiendo el bus de alimentación de corriente continua una primera línea de alimentación y una segunda línea de alimentación, definiendo entre ellas una tensión de bus de alimentación de corriente continua,
- un condensador de bus conectado a la primera línea de alimentación y a la segunda línea de alimentación y dispuesto para mantener la tensión del bus de alimentación de corriente continua en un valor constante, - una etapa inversora conectada aguas abajo del bus de alimentación de corriente continua y que comprende varios brazos de conmutación,
- varias fases de salida dispuestas para conectar la etapa inversora con el motor eléctrico,
- una unidad de control de la etapa inversora, dispuesta para controlar los brazos de conmutación de la etapa inversora para suministrar una tensión variable al motor eléctrico a partir de una ley de control,
- un dispositivo de precarga conectado en serie con el condensador del bus y que comprende una resistencia de precarga y un interruptor conectado en paralelo con dicha resistencia de precarga,
el procedimiento de control de la etapa inversora para controlar la corriente que fluye a través de la resistencia de precarga durante una desaceleración del motor, siendo dicha corriente controlada teniendo en cuenta la tensión del bus de alimentación de corriente continua y un valor de referencia óptimo.
Según un aspecto particular de la invención, el valor de referencia óptimo es representativo de un compromiso entre las pérdidas generadas en la resistencia de precarga y la amplitud de las oscilaciones de la tensión del bus de alimentación de corriente continua.
Según otra característica, el procedimiento comprende una etapa de determinación de un par limitador teniendo en cuenta una diferencia entre la tensión del bus de alimentación de corriente continua y el valor de referencia óptimo, aplicándose dicho par limitador a una referencia de par en la ley de control.
La invención también se refiere a un variador de velocidad que comprende:
- varias fases de entrada capaces de conectarse a una red de distribución eléctrica,
- una etapa rectificadora conectada a las fases de entrada y dispuesta para rectificar una tensión suministrada por la red de distribución eléctrica,
- un bus de alimentación de corriente continua conectado a la etapa rectificadora, comprendiendo el bus de alimentación de corriente continua una primera línea de alimentación y una segunda línea de alimentación, definiendo entre ellas una tensión de bus de alimentación de corriente continua,
- un condensador de bus conectado a la primera línea de alimentación y a la segunda línea de alimentación y dispuesto para mantener la tensión del bus de alimentación de corriente continua en un valor constante, - una etapa inversora conectada aguas abajo del bus de alimentación de corriente continua y que comprende varios brazos de conmutación,
- varias fases de salida dispuestas para conectar la etapa inversora a un motor eléctrico,
- una unidad de control de la etapa inversora, dispuesta para controlar los brazos de conmutación de la etapa inversora para suministrar una tensión variable al motor eléctrico,
- un dispositivo de precarga conectado en serie con el condensador de bus y que comprende una resistencia de precarga y un interruptor conectado en paralelo con dicha resistencia de precarga,
- la unidad de control comprende un módulo de deceleración dispuesto para controlar la etapa inversora de manera que se controla la corriente que fluye a través de la resistencia de precarga durante una deceleración del motor; controlándose dicha corriente teniendo en cuenta la tensión del bus de alimentación de corriente continua y un valor de referencia.
Según una particularidad, el valor de referencia óptimo es representativo de un compromiso entre las pérdidas generadas en la resistencia de precarga y la amplitud de las oscilaciones de la tensión del bus de alimentación de corriente continua.
Según otra particularidad, el variador de velocidad comprende un módulo para determinar un par limitador teniendo en cuenta una diferencia entre la tensión del bus de alimentación de corriente continua y el valor de referencia óptimo.
Breve descripción de las figuras
Otras características y ventajas se desprenderán de la siguiente descripción detallada en relación con los dibujos adjuntos en los que:
- la figura 1 muestra un variador de velocidad según la invención,
- la figura 2 muestra un sinóptico de la ley de control implementada en el variador de velocidad de la invención, - las figuras 3A a 3C ilustran el funcionamiento y el interés de la invención.
Descripción detallada de al menos una realización
La invención se aplica a un variador de velocidad para controlar un motor eléctrico.
De manera conocida, un variador de velocidad comprende:
- varias fases de entrada, por ejemplo tres fases de entrada U, V, W para la conexión a una red de distribución eléctrica 1,
- una etapa rectificadora REC conectada a las tres fases de entrada U, V, W y constituida por un puente de diodos, estando dicho puente de diodos destinado a rectificar una tensión alterna suministrada por la red de distribución eléctrica 1,
- una etapa inversora INV con varios brazos de conmutación, por ejemplo, tres brazos de conmutación,
- un bus de alimentación de corriente continua que conecta la etapa rectificadora a la etapa inversora y que comprende una primera línea de alimentación L1 con potencial eléctrico positivo y una segunda línea de alimentación L2 con potencial eléctrico negativo, entre las cuales se aplica la tensión rectificada, conocida como la tensión del bus de alimentación de corriente continua Vbus,
- un condensador de bus C conectado a la primera línea de alimentación L1 y a la segunda línea de alimentación L2 y diseñado para mantener la tensión Vbus del bus de alimentación de corriente continua en un valor constante,
- varias fases de salida, por ejemplo tres fases de salida X, Y, Z, cada una de las cuales conecta el punto medio de un brazo de conmutación de la etapa inversora INV con el motor eléctrico M,
- una unidad de control UC dispuesta para controlar los brazos de conmutación de la etapa inversora INV para aplicar una tensión variable al motor eléctrico M. La unidad de control UC implementa una ley de control para determinar las tensiones que deben aplicarse a las fases de salida.
Además, se sabe que los variadores de velocidad tienen un dispositivo de precarga que consiste en una resistencia de precarga R y un interruptor Sw conectado en paralelo a la resistencia R. Al arrancar el variador de velocidad, la resistencia de precarga R reduce la corriente de entrada en el bus de alimentación de corriente continua. En funcionamiento normal, la resistencia de precarga R está en cortocircuito con el interruptor Sw. En el contexto de la invención, el dispositivo de precarga está conectado en serie con el condensador de bus C.
El principio de la invención es utilizar la resistencia de precarga R para disipar la energía eléctrica generada durante la deceleración del motor eléctrico M, acortando así el tiempo de deceleración del motor eléctrico M. El uso de la resistencia de precarga R en el proceso de deceleración maximiza las pérdidas dentro del variador de velocidad, siendo estas pérdidas adicionales a las generadas por efecto mecánico y eléctrico en el motor eléctrico M. Durante la desaceleración del motor eléctrico M, la resistencia de precarga R conectada en serie con el condensador de bus C no es cortocircuitada por el interruptor Sw y la corriente eléctrica I devuelta durante el frenado fluye a través de la resistencia de precarga R, generando pérdidas por efecto Joule.
Sin embargo, la resistencia de precarga R no está dimensionada de la misma manera que una resistencia de frenado cuya función está enteramente dedicada a disipar la energía eléctrica generada durante la deceleración del motor eléctrico. Por lo tanto, la corriente eléctrica I que fluye a través de la resistencia de precarga debe ser controlada para evitar que se dañe la resistencia o los transistores de la etapa inversora (la resistencia también influye en la tensión a través de los transistores). Para controlar la corriente I que fluye a través de la resistencia de precarga R durante la deceleración del motor eléctrico M, el procedimiento de la invención, implementado en un módulo de deceleración específico, consiste por lo tanto en aplicar una trayectoria de par al motor eléctrico M, siendo esta trayectoria de par determinada por la unidad de control UC de manera que la corriente I en el bus de alimentación de corriente continua varíe. Según la invención, durante la deceleración del motor eléctrico M, la corriente media reenviada al bus de alimentación de corriente continua es nula, de modo que la tensión Vbus del bus de alimentación de corriente continua permanece en promedio constante, pero la corriente I se controla para que oscile y pueda disiparse en la resistencia de precarga R.
Según la invención, la trayectoria de par T* aplicada al motor eléctrico M durante su deceleración es determinada por la unidad de control UC a partir de la tensión Vbus del bus de alimentación de corriente continua, determinada por medición o por estimación. La tensión Vbus del bus de corriente continua se compara con un valor de referencia óptimo Vbus_ref para maximizar las pérdidas en el variador de velocidad y limitar al mismo tiempo la amplitud de las oscilaciones de tensión en el bus de alimentación de corriente continua, ya que las oscilaciones de amplitud excesivas pueden dañar los componentes del variador de velocidad y afectar al rendimiento del control del motor. El valor de referencia Vbus_ref representa por tanto un compromiso a adoptar entre las pérdidas generadas por el variador de velocidad y la amplitud de las oscilaciones de tensión en el bus de alimentación de corriente continua. El módulo de desaceleración está dispuesto para optimizar la desaceleración del motor eléctrico mediante el control de la corriente eléctrica que fluye a través de la resistencia de precarga.
Este compromiso a adoptar se explica en particular por la demostración que se hace a continuación.
Las ecuaciones del sistema son las siguientes:
vc = vbus-R i
dvr
C— — Vc + RI* =P
dt
En las que:
- I es la corriente que atraviesa el condensador de bus C y la resistencia de precarga R durante la deceleración del motor eléctrico M,
- C es la capacidad del condensador de bus,
- Vc es la tensión en los bornes del condensador de bus,
- Vbus es la tensión del bus de alimentación de corriente continua,
- R es el valor de la resistencia de precarga,
- P es la potencia,
- t es el tiempo.
Una resolución simplificada consiste en elegir la tensión Vc del condensador de bus igual a una constante a la que se añade una componente oscilante. Entonces tenemos:
Vc - Vq Vjsen(cot)
En las que:
- V0 representa la componente de tensión constante,
- V1 sen (wt) representa la componente de tensión oscilante.
Se obtienen entonces los valores de I y de Vbus:
t = C ^ ^ - = CVjü)COs(cot)
Vbus - VC R I- V0 V]Sen(cot)+ ñCV]Cocos(o)t)
La potencia devuelta al variador de velocidad por el motor eléctrico M durante la deceleración se expresa entonces como sigue:
p = IVbus = (CV]OJCOs(ü)t ))(Vq + Vjsen( at)+ RCVjacosf a t))
P = CV0V]6)cos(ú)t)+CVj6)Cos(ú^)sen(ú)t)+RC2V^ú)2(cos(úJt)f
Conociendo las siguientes ecuaciones trigonométricas:
cos( at )sen( oA)- — ser>( 2at)
2
se obtiene entonces:
RC2 V; O)2 i , RC2V26)2
P = ------ y ----- + CV()V1a>cos(ürt)+YCV-cosen(2wt) ------ -y ------ cos(2wt)
En esta expresión de la potencia reinyectada, el término
RC
2 V2 ca2
2
corresponde al término de disipación de energía eléctrica. Los otros términos son, de hecho, oscilantes y su valor promedio es cero.
Como se ha descrito anteriormente, la tensión Vbus del bus de alimentación de corriente continua se expresa mediante la siguiente relación:
Vbus - Vc Rl = Vq + V] sen(wt)+ RCVj cocos( cot)
La componente oscilante de esta expresión es, por tanto:
Vbus _ ose =
'Jvf
(í (RCú)f )
Por lo tanto, tenemos las dos expresiones siguientes:
RC2V¡ a2
Pérdidas
= -------------------¿-------------
2
Vbus _ ose - V¡ y/(/ {RCraf)
Observando estas dos expresiones, se puede ver que los parámetros R, C, V1 y u> afectan tanto a las pérdidas como a la amplitud de las oscilaciones de la tensión del bus de alimentación de corriente continua. Se concluye que hay que llegar a un compromiso en los valores de R, C, V1 y u> para aumentar las pérdidas, sin aumentar demasiado la amplitud de las oscilaciones de tensión en la alimentación del bus de alimentación de corriente continua.
Los valores de la resistencia de precarga R y del condensador de bus C se seleccionan definitivamente en el variador de velocidad. Por lo tanto, el nivel de pérdidas generado en la resistencia de precarga puede definirse mediante la elección del valor de referencia óptimo Vbus_ref mencionado anteriormente.
La figura 2 muestra la ley de control implementada en el variador de velocidad. Esta ley de control comprende una parte de funcionamiento convencional y una parte que es objeto de la invención. En el procedimiento de la invención, el valor de referencia óptimo Vbus_ref se compara con la tensión Vbus del bus de alimentación de corriente continua. La diferencia calculada se introduce en un regulador proporcional-integral PI (también son posibles otras opciones de regulador). El regulador PI proporcional-integral determina un par limitador Tlim. El par limitador Tlim se aplica a la referencia de par para corregirla. Durante la deceleración del motor eléctrico M, la tensión Vbus del bus de alimentación de corriente continua oscila lo suficiente como para generar pérdidas en la resistencia de precarga, pero sin superar un determinado límite para evitar daños en el variador de velocidad. Además, de forma conocida, la ley de control permite determinar las tensiones a aplicar a las fases de salida X, Y, Z teniendo en cuenta una referencia de velocidad wre y una referencia de flujo ^ ref aplicadas a la entrada. La referencia de par T* se deriva de la referencia de velocidad wref. Como las demás características de la ley de control son conocidas, no se describen en la presente solicitud. Algunas de las referencias (id, iq,...) de la figura 2 son ampliamente conocidas y, por tanto, no se explican en la presente solicitud.
Las figuras 3A a 3C ilustran la ventaja de la solución de la invención.
En la figura 3A, la curva C1 muestra la deceleración en velocidad del motor eléctrico sin la solución de la invención, es decir, sin disipación en la resistencia de precarga, y la curva C2 muestra la deceleración en velocidad del motor eléctrico con la solución de la invención, es decir, disipando parte de la energía eléctrica generada por el frenado en la resistencia de precarga. Se puede observar que el tiempo de deceleración es más corto con la solución de la invención.
La figura 3B muestra un zoom de la velocidad del motor durante la deceleración. Se observa que la trayectoria de la velocidad es oscilante, lo que permite generar las pérdidas en la resistencia de precarga R.
La figura 3C muestra las oscilaciones de la tensión Vbus del bus de alimentación de corriente continua durante la deceleración del motor eléctrico M. Como se ha mencionado anteriormente, la amplitud de estas oscilaciones debe limitarse para evitar daños en el variador de velocidad.
Claims (6)
1. Procedimiento de control implementado en un variador de velocidad conectado a un motor eléctrico, comprendiendo dicho variador de velocidad:
- varias fases de entrada (U, V, W) adecuadas para la conexión a una red de distribución eléctrica (1), - una etapa rectificadora (REC) conectada a las fases de entrada (U, V, W) y dispuesta para rectificar una tensión suministrada por la red de distribución eléctrica,
- un bus de alimentación de corriente continua conectado a la etapa rectificadora (REC), comprendiendo el bus de alimentación de corriente continua una primera línea de alimentación (L1) y una segunda línea de alimentación (L2), definiendo entre ellas una tensión (Vbus) del bus de alimentación de corriente continua, - un condensador de bus (C) conectado a la primera línea de alimentación y a la segunda línea de alimentación y dispuesto para mantener la tensión del bus de alimentación de corriente continua en un valor constante,
- una etapa inversora (INV) conectada aguas abajo del bus de alimentación de corriente continua y que comprende varios brazos de conmutación,
- varias fases de salida dispuestas para conectar la etapa inversora con el motor eléctrico,
- una unidad de control (UC) de la etapa inversora, dispuesta para controlar los brazos de conmutación de la etapa inversora para suministrar una tensión variable al motor eléctrico a partir de una ley de control, - un dispositivo de precarga conectado en serie con el condensador de bus (C) y que comprende una resistencia de precarga (R) y un interruptor (Sw) conectado en paralelo a dicha resistencia de precarga (R), caracterizado porque el procedimiento consiste en controlar la etapa inversora (INV) de manera que se controla la corriente (I) que fluye a través de la resistencia de precarga (R) durante la deceleración del motor, controlándose dicha corriente (I) teniendo en cuenta la tensión (Vbus) del bus de alimentación de corriente continua y un valor de referencia óptimo (Vbus_ref).
2. Procedimiento de control según la reivindicación 1, caracterizado porque el valor de referencia óptimo es representativo de un compromiso entre las pérdidas generadas en la resistencia de precarga y la amplitud de las oscilaciones de la tensión del bus de alimentación de corriente continua.
3. Procedimiento de control según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque comprende una etapa de determinación de un par limitador teniendo en cuenta una diferencia entre la tensión del bus de alimentación de corriente continua y el valor de referencia óptimo, aplicándose dicho par limitador a una referencia de par en la ley de control.
4. Variador de velocidad que comprende:
- varias fases de entrada (U, V, W) adecuadas para la conexión a una red de distribución eléctrica (1), - una etapa rectificadora (REC) conectada a las fases de entrada (U, V, W) y dispuesta para rectificar una tensión suministrada por la red de distribución eléctrica (1),
- un bus de alimentación de corriente continua conectado a la etapa rectificadora (REC), comprendiendo el bus de alimentación de corriente continua una primera línea de alimentación (L1) y una segunda línea de alimentación (L2), definiendo entre ellas una tensión (Vbus) del bus de alimentación de corriente continua, - un condensador de bus (C) conectado a la primera línea de alimentación y a la segunda línea de alimentación y dispuesto para mantener la tensión del bus de alimentación de corriente continua en un valor constante,
- una etapa inversora (INV) conectada aguas abajo del bus de alimentación de corriente continua y que comprende varios brazos de conmutación,
- varias fases de salida (X, Y, Z) dispuestas para conectar la etapa inversora a un motor eléctrico,
- una unidad de control de la etapa inversora, dispuesta para controlar los brazos de conmutación de la etapa inversora para suministrar una tensión variable al motor eléctrico,
- un dispositivo de precarga conectado en serie con el condensador de bus y que comprende una resistencia de precarga (R) y un interruptor (Sw) conectado en paralelo a dicha resistencia de precarga, caracterizado porque:
- la unidad de control (UC) comprende un módulo de deceleración dispuesto para controlar la etapa inversora de manera que se controla la corriente que fluye a través de la resistencia de precarga durante una deceleración del motor; estando controlada dicha corriente teniendo en cuenta la tensión del bus de alimentación de corriente continua y un valor de referencia.
5. Variador de velocidad según la reivindicación 4, caracterizado porque el valor de referencia óptimo es representativo de un compromiso entre las pérdidas generadas en la resistencia de precarga y la amplitud de las oscilaciones de la tensión del bus de alimentación de corriente continua.
6. Variador de velocidad según la reivindicación 4 o 5, caracterizado porque comprende un módulo para determinar un par limitador teniendo en cuenta una diferencia entre la tensión del bus de alimentación de corriente continua y el valor de referencia óptimo.
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