ES2928294T3 - Procedimiento de funcionamiento de una máquina eléctrica - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un método para operar una máquina eléctrica utilizando el control de bloque, en cuyo método, dentro del alcance de controlar un par de la máquina eléctrica, se establece un ángulo de preconmutación (a) tal que no exceda un ángulo de inclinación (420, 421) para el funcionamiento en un modo de motor y/o un modo de generador, en el que el ángulo de inclinación (420, 421) para el modo de motor y/o el modo de generador se determina iterativamente durante el funcionamiento. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento de funcionamiento de una máquina eléctrica

La presente invención se refiere a un procedimiento para operar una máquina eléctrica con un control de bloque, así como una unidad de computación y un programa de ordenador para llevar a cabo el mismo.

Estado de la técnica

Las máquinas eléctricas, en particular los generadores, pueden utilizarse para convertir la energía mecánica en energía eléctrica en los vehículos de motor. Para ello, se suelen utilizar generadores de garras, que suelen estar dotados de excitación eléctrica. Dado que los generadores de polos de garra producen corriente trifásica, normalmente trifásica, se requiere rectificación para los sistemas eléctricos de corriente continua habituales en los vehículos de motor. Para ello pueden utilizarse rectificadores basados en diodos semiconductores o interruptores semiconductores.

Los generadores también pueden utilizarse para arrancar un motor de combustión interna. Estos generadores también se denominan generadores de arranque. Normalmente, un generador de arranque de este tipo solo se acciona por motor a velocidades muy bajas, ya que el par que se puede generar disminuye rápidamente por encima de la velocidad. Sin embargo, también son concebibles máquinas eléctricas de mayor tamaño, que también pueden utilizarse en un vehículo híbrido para conducir el vehículo, o al menos para apoyar el motor de combustión interna.

Para el control de estos generadores de arranque, se puede utilizar la llamada operación PWM, en la que se controla una corriente de fase, o el llamado control en bloque, en el que se controla un ángulo de preconmutación. Se puede cambiar entre los dos tipos de control en función de un límite de velocidad.

El documento DE 102005045401 A1 muestra un procedimiento para suministrar energía a un motor de corriente continua que puede ser conmutado electrónicamente a través de una etapa de salida de energía semiconductora y que es energizado por una unidad de control en bloques según las señales de un sensor de posición del rotor. El suministro de corriente al motor está diseñado para ser variable en pasos de tal manera que los bloques de corriente pueden ser variados en su nivel y/o en su longitud y/o en su ángulo de disparo en relación con el curso de la tensión inducida en función de la velocidad y/o en función de la carga.

Divulgación de la invención

De acuerdo con la invención, se propone un procedimiento para operar una máquina eléctrica, así como una unidad de computación, un programa informático para llevar a cabo el procedimiento y un medio de almacenamiento legible por máquina con el programa informático almacenado en él con las características de las reivindicaciones independientes de la patente. Las realizaciones ventajosas son el objeto de las subreivindicaciones, así como la siguiente descripción.

Un procedimiento según la invención sirve para operar una máquina eléctrica, por ejemplo, una máquina de polos de garras, con un control de bloque, en el que, dentro del ámbito de un control de un par de la máquina eléctrica, se establece un ángulo de preconmutación de tal manera que este no exceda un ángulo de inclinación para una operación del motor y/o una operación del generador.

En el control por bloques o en el funcionamiento por bloques, se controla el llamado ángulo de preconmutación. El ángulo de preconmutación indica cuándo, en relación con el cruce por cero de la tensión de la rueda polar inducida en una fase, los interruptores semiconductores conectados a una fase pasan a conducción. En lugar de controlar las corrientes -como es el caso del llamado control PWM, que se utiliza a bajas velocidades o por debajo de un límite de tensión, es decir, cuando la tensión de la rueda polar es inferior a la tensión del enlace de CC-, aquí se puede controlar el ángulo de preconmutación (por ejemplo, con un controlador PI) para establecer o regular un par objetivo deseado.

El ángulo de preconmutación resultante puede convertirse directamente en un patrón de bloques imprimiendo siempre la tensión de enlace de CC. En coordenadas d-q, el ángulo de preconmutación puede entenderse como el ángulo entre el valor q y el valor d de la tensión de fase y calcularse a partir de estos dos valores mediante la función arctan2.

Con el control por bloques, el vector espacial de la magnitud de la corriente de fase, es decir, en coordenadas d-q, se mueve en una trayectoria circular o elíptica (el llamado círculo de tensión o la llamada elipse de tensión), que está especificada por la magnitud (fija) de la tensión de fase, cuyo centro está especificado por la corriente de excitación, entre otras cosas, pero no coincide con el origen del vector espacial de la corriente de fase. Dado que el par de la máquina eléctrica está significativamente influenciado por el valor q de la corriente de fase, el par puede efectivamente aumentar recorriendo esta trayectoria circular o elíptica cuando la magnitud de la corriente de fase se incrementa. Sin embargo, hay un punto en esta trayectoria a partir del cual el par disminuye de nuevo a pesar de un nuevo aumento de la corriente de fase, porque el valor q de la corriente de fase vuelve a disminuir. Según la definición, este punto también se denomina punto de inflexión, ángulo de inflexión o momento de inflexión. Este ángulo de inclinación existe tanto para el funcionamiento del motor como del generador.

En el procedimiento propuesto, el ángulo de inclinación para el funcionamiento del motor y/o del generador se determina iterativamente durante el funcionamiento, en particular en tiempo real o en línea. El ángulo de inclinación puede determinarse, en particular, mediante una tensión máxima ajustable, una frecuencia angular de la corriente de la máquina eléctrica, parámetros de la máquina eléctrica y una corriente de fase máxima admisible. Se utilizan como parámetros al menos un flujo intercalado y/o al menos una inductancia de la máquina eléctrica. Tanto el flujo del rotor como el flujo de fuga pueden considerarse como flujos encadenados, y la inductancia q y la inductancia d, que son diferentes entre sí en el caso de los rotores que no son un polo completo, como las máquinas de polos de garra, como inductancias. Asimismo, se puede tener en cuenta la temperatura actual de la máquina eléctrica, que influye especialmente en la resistencia del estator o de sus bobinados.

Los parámetros de la máquina eléctrica pueden, a su vez, determinarse preferentemente sobre la base de un valor q de una corriente de fase y/o un valor d de una corriente de fase y/o una corriente de excitación, que a su vez pueden determinarse convenientemente sobre la base de las corrientes de fase medidas de la máquina eléctrica. Para una explicación más detallada del cálculo del ángulo de inclinación con los pasos intermedios, también mediante fórmulas, consulte la descripción de las figuras.

Al determinar el ángulo de inclinación y, por lo tanto, los límites del ángulo de preconmutación siempre durante el funcionamiento, se puede agotar siempre el máximo para el ángulo de preconmutación, de modo que se hace posible un funcionamiento más eficiente de la máquina eléctrica, tanto en el funcionamiento del motor como del generador.

Una unidad de computación según la invención, por ejemplo una unidad de control de un vehículo de motor, está configurada, en particular programáticamente, para llevar a cabo un procedimiento según la invención.

La implementación del procedimiento en forma de programa informático también es ventajosa, ya que esto provoca costos especialmente bajos, especialmente si una unidad de control de ejecución se sigue utilizando para otras tareas y, por lo tanto, está presente de todos modos. Los soportes de datos adecuados para proporcionar el programa informático son, en particular, las memorias magnéticas, ópticas y eléctricas, como los discos duros, las memorias flash, las EEPROM, los DVD y otros. También es posible descargar un programa a través de redes informáticas (Internet, Intranet, etc.).

Otras ventajas y formas de realización de la invención se desprenden de la descripción y del dibujo adjunto.

La invención se ilustra esquemáticamente mediante un ejemplo de realización en el dibujo y se describe a continuación con referencia al dibujo.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 muestra esquemáticamente una máquina eléctrica en la que puede llevarse a cabo un procedimiento según la invención.

La figura 2 muestra de forma esquemática una posibilidad de controlar una máquina eléctrica.

La figura 3 muestra de forma esquemática las características de la corriente de una máquina eléctrica.

La figura 4 muestra la tensión de fase de una fase para una transición entre el control PWM y el control de bloque. Las figuras 5a y 5b muestran esquemáticamente los puntos de funcionamiento actuales de una máquina eléctrica en un sistema de coordenadas d-q.

Las figuras 6 y 7 muestran las curvas de diversas variables de una máquina eléctrica cuando se supera el ángulo de inclinación.

La figura 8 muestra esquemáticamente los puntos de funcionamiento actuales de una máquina eléctrica en un sistema de coordenadas d-q.

La figura 9 muestra esquemáticamente una secuencia de un proceso según la invención en una forma de realización preferida.

La figura 10 muestra esquemáticamente una comparación de un par de una máquina eléctrica con y sin el uso de un procedimiento según la invención.

Formas de realización de la invención

La figura 1 muestra un diagrama esquemático de una máquina eléctrica en la que puede llevarse a cabo un procedimiento según la invención. La máquina eléctrica 100 está diseñada, a modo de ejemplo, como una máquina eléctrica de cinco fases con excitación externa. Se entiende que también puede utilizarse otro número de fases, por ejemplo tres. La máquina eléctrica 100 también puede ser diseñada, por ejemplo, como una máquina de garras. En este caso, la máquina eléctrica 100 tiene cinco devanados de estator 120 y un devanado de excitación o rotor 110. Una corriente de excitación Iex en el devanado de excitación 110 puede ajustarse a través de una unidad de computación diseñada como unidad de control 140. Además, está prevista una disposición de circuitos 130 con interruptores 131, aquí ejemplarmente MOSFETS, de los cuales solo uno está provisto de un signo de referencia, por medio de los cuales se puede aplicar o tomar una tensión U de los devanados del estator 120, dependiendo de si la máquina eléctrica se utiliza en funcionamiento de motor o de generador.

La disposición de interruptores 130 y la unidad de control 140 también pueden formar parte de una unidad de control común o de un inversor o convertidor para la máquina eléctrica.

La figura 2 ilustra esquemáticamente una forma de controlar una máquina eléctrica, como la mostrada en la figura 1. El diagrama superior muestra una tensión U sobre el tiempo t, y el diagrama inferior muestra un ciclo de trabajo T sobre el tiempo t.

Se trata de patrones de control según un procedimiento estándar de la llamada modulación sinusoidal triangular. A la tensión diana deseada, es decir, la onda sinusoidal del diagrama superior, se superpone aquí una señal triangular (también mostrada en el diagrama superior), que tiene una frecuencia significativamente mayor que la de la onda fundamental eléctrica (normalmente más de 10 kHz). Cada punto de intersección marca una conmutación de la señal PWM.

El patrón de control del diagrama inferior se puede generar ahora con una unidad de control PWM. Para una máquina de polos de garra, este control PWM se suele utilizar hasta el límite de tensión mencionado. A partir del límite de tensión o por encima de él, la máquina eléctrica se controla con un patrón de bloques en modo de bloque o con el llamado control de bloques.

Este control de bloque se caracteriza por el hecho de que las tensiones de fase tienen la máxima amplitud posible y esta amplitud no puede ser modificada (teóricamente esto es posible controlando con anchos de bloque inferiores a 180°, pero esto no se suele utilizar).

Además de la corriente de excitación, la posición de fase del vector de tensión, el llamado ángulo de preconmutación, sirve ahora como variable manipulada para un par diana deseado de la máquina eléctrica.

Dado que la amplitud no puede modificarse en el funcionamiento en bloque (o al menos no se modifica), este modo de control sólo se utiliza por encima del límite de tensión (es decir, cuando la tensión de la rueda polar es mayor que la tensión de enlace de CC aplicada), en este caso normalmente a velocidades superiores a 3.000/min.

La figura 3 muestra las curvas de corriente, en este caso las corrientes de fase, que se generan cuando la máquina eléctrica está girando y la tensión de fase es sinusoidal. Para ello, se traza una corriente I sobre el tiempo t.

Con una distribución simétrica, las corrientes de fase individuales IA, IB, IC, ID e IE pueden combinarse en un vector espacial. Para ello se utilizan las conocidas transformaciones de Clarke y Park. En primer lugar, las corrientes I e I se obtienen con la transformación de Clarke según las fórmulas:

De aquí resultan las corrientes I^d y lq con la transformación de Park según las fórmulas:

l d = l a COS0 / (, sen 9

e

en donde 0 es aquí el ángulo del rotor de la máquina eléctrica. Del mismo modo, la tensión puede transformarse en coordinación d-q, es decir, se puede obtener el valor q de la tensión de fase U^q y el valor d de la tensión de fase U^d . El ángulo de preconmutación puede obtenerse entonces como a=arctan2(U^q,U^d).

La figura 4 muestra la tensión de fase de una fase para la transición entre el control PWM y el control en bloque o el funcionamiento en bloque. Para ello, se traza la tensión U y la corriente I en función del tiempo t. Se puede ver en el curso de la corriente que aquí ya no hay control de la corriente de fase.

Las figuras 5a y 5b muestran de forma esquemática los puntos de funcionamiento de la corriente de una máquina eléctrica para el funcionamiento del motor (figura 5a) y el funcionamiento del generador (figura 5b) en un sistema de coordenadas d-q, concretamente mediante la denominada curva de lugar de la corriente. Para ello, se trazan las corrientes I^d e I^q .

La curva del lugar de la corriente muestra el punto de funcionamiento B de la máquina eléctrica. Este punto de funcionamiento resulta del puntero de corriente o de la corriente I^dq y del puntero de tensión, que muestra la tensión U^dq y el flujo encadenado ^dq. El punto de funcionamiento es el extremo común de los punteros para la corriente I^dq y el flujo encadenado ^dq.

En el modo de bloque, el punto de funcionamiento B solo puede desplazarse en el llamado circuito de tensión, aquí designado 410. El circuito de tensión 410 representa una tensión máxima posible (o, tras la conversión, el máximo flujo encadenado posible), que se utiliza permanentemente en el funcionamiento del bloque. El punto central 411 del circuito de tensión 410 (o elipse de tensión) está determinado por el flujo de excitación en el devanado de excitación y la inductancia d, por lo que puede desplazarse variando la corriente de excitación si la máquina es de excitación externa.

A medida que el circuito de tensión 410 (o elipse de tensión) pasa por el puntero de corriente para I^dq, el valor q de la corriente de fase y, por lo tanto, el par motor se vuelven inicialmente más altos. Cuando se supera el llamado ángulo de inclinación (o punto de inclinación o momento de inclinación), la magnitud de I^dq aumenta, pero el valor q y, por lo tanto, también el par disminuyen. Esto va en detrimento de la eficiencia y, por lo tanto, debe evitarse. El ángulo de inclinación está marcado 420 en la figura 5a, es decir, para el funcionamiento del motor, y 421 en la figura 5b, es decir, para el funcionamiento del generador.

El ángulo de fase (y por lo tanto el ángulo de preconmutación) a, como se muestra en las figuras 5a y 5b y como se ha explicado anteriormente, puede oscilar teóricamente entre 90° y 180° para el funcionamiento del motor y entre 0° y 90° para el funcionamiento del generador.

Sin embargo, en la realidad, la limitación del ángulo de fase no está en los límites especificados, sino que se desvía debido al par de reluctancia, la resistencia del estator y las pérdidas. Esto puede confirmarse mediante mediciones, por ejemplo.

En la figura 6, se muestra una medición para el funcionamiento del generador. El ángulo de fase o ángulo de preconmutación a, el par M (dos tipos diferentes de medición, uno medido físicamente y otro una estimación interna), el grado de rendimiento n, la corriente continua generada I^dc y la corriente de fase I^dq se muestran cada uno en el tiempo t.

Para la medición, todas las variables relevantes para el control se dejaron constantes y solo se modificó el ángulo de preconmutación a de 0,45 rad a 0 rad. A partir de la línea vertical trazada, el par regenerativo aumenta, la corriente continua I^dc generada por el generador disminuye y la corriente de fase I^dq aumenta. Esto significa que se ha superado el ángulo de inclinación y la eficiencia disminuye.

En la figura 7, se muestra otra medida para el funcionamiento del motor. Sin embargo, en comparación con la figura 6, aquí no se muestra la corriente de fase. El ángulo de preconmutación a se ha incrementado de 2,55 rad. En este caso, el par aplicado disminuye con respecto a la línea vertical trazada a pesar del aumento del ángulo de fase. El rendimiento disminuye y la corriente continua necesaria aumenta. Por tanto, se supera el ángulo de inclinación y, por lo tanto, el límite de estabilidad.

La superación del ángulo de inclinación también puede confirmarse mediante un cálculo analítico del ángulo de inclinación, como se muestra en la figura 8. De nuevo, al igual que en las figuras 5a y 5b, Id e Iq se representan de forma paralela. Además del circuito de tensión 410 (o elipse de tensión) como en las figuras 5a y 5b, se dibuja otro circuito de tensión 410' para una tensión diferente. También se muestra un circuito 400 que indica la máxima corriente de fase posible. Las líneas de par constante se dibujan con trazos.

Con aGr se traza ahora una línea que indica el máximo ángulo de fase ajustable o ángulo de preconmutación, es decir, 0° o 180°, como ya se ha explicado con referencia a las figuras 5a y 5b. Además, los ángulos de inclinación 420 y 421 pueden verse de nuevo.

Según el presente procedimiento, estos ángulos de inclinación pueden ahora determinarse en tiempo real o en línea y así lograr una mayor corriente continua con un menor par de frenado y menores corrientes de fase en el funcionamiento del generador. En el funcionamiento del motor, el par máximo aumenta y las corrientes de fase en el punto máximo se reducen. Además, este procedimiento aumenta la dinámica de un controlador en control de bloque, ya que se reduce el rango de control y se evita la inestabilidad tras el ángulo de inclinación.

A continuación, las corrientes y tensiones de fase se designan también con letras minúsculas.

El ángulo de inclinación se puede calcular encontrando el punto con la mayor corriente continua en la elipse de tensión según la figura 8. Se calcula el curso de la corriente continua:

La elipse de tensión se describe mediante las siguientes ecuaciones.

U d = R J d - G>elL c1Í q - G>eWo

U q = R J q ® e , ( L ¿ d V R o t or )

U dq ~ 1\

~ U dq límite

Aquí Rs indica la resistencia del estator, Wel la frecuencia angular eléctrica, YRotor el enlace del flujo de excitación y Ya el flujo de fuga resultante de los imanes del rotor entre las garras de la máquina de polos.

La última ecuación puede convertirse en Ud y aproximarse mediante una aproximación de Taylor de primer orden para un paso de cálculo:

Reordenando las ecuaciones de la elipse de tensión a Id e Iq se obtiene entonces:

Sustituyendo en la ecuación de la corriente continua se obtiene:

Finalmente, derivando y poniendo a cero, se puede derivar una ecuación para Uq en el ángulo de inclinación:

d I dc

⁼ 0

du_Hn

El ángulo de inclinación se puede calcular finalmente mediante a= arctan2(u^q,kipp,u^d.kipp). El cálculo incluye la dependencia de la resistencia del estator, así como de las propiedades de saturación de los parámetros de la máquina eléctrica. Las propiedades de saturación están representadas por la dependencia de los parámetros de las corrientes de fase I^d , I^q y la corriente de excitación I^ex.

Se puede identificar por medio de mediciones y mapear a través de un polinomio.

El cálculo debe ser iterativo para que siempre se base en los parámetros actuales en funcionamiento.

En la figura 9, se muestra ahora una secuencia de un procedimiento según la invención en una forma de realización preferida. Se miden las corrientes de fase, aquí denominadas IA...E, así como la corriente de excitación I^ex, si procede, y los parámetros P en el punto de funcionamiento actual se determinan a partir de las corrientes de fase medidas. Los parámetros pueden incluir los ya mencionados de inductancia d Ld, inductancia q Lq, el enlace de flujo del excitador ^ ^Rotor y el flujo de fuga ^ ^a .

Además, se calcula la resistencia actual del estator Rs en función de la temperatura T. Junto con la frecuencia angular eléctrica W^el (que se detecta, por ejemplo, mediante un sensor 170), se calculan finalmente los ángulos de preconmutación máximo y mínimo, es decir, para el funcionamiento del motor y del generador respectivamente (también designados anteriormente como 420 y 421), que se introducen en el sistema de control. Allí se puede determinar el ángulo de preconmutación y calcular la tensión de fase Udq, que a su vez se convierte en las tensiones de fase UA...E para los devanados.

La figura 10 muestra una comparación de un par M, que se traza contra la velocidad n de la máquina eléctrica, para un caso sin el procedimiento descrito (curva V2) y un caso con el procedimiento descrito (V1). Se puede ver que es posible un par de torsión más alto con el presente procedimiento. Asimismo, el par real o el par estimado se hace mayor, las corrientes de fase se hacen más pequeñas y el valor de consigna se fija más rápidamente.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para el funcionamiento de una máquina eléctrica (100) con un control de bloque, caracterizado porque, en el curso del control de un par (M) de la máquina eléctrica, un ángulo de preconmutación (a) se establece de manera que no exceda un ángulo de inclinación (420, 421) para un funcionamiento del motor y/o un funcionamiento del generador,

en donde el ángulo de inclinación (420, 421) para el funcionamiento del motor y/o del generador se determina iterativamente durante el funcionamiento.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el ángulo de inclinación (420, 421) para el funcionamiento del motor y/o el funcionamiento del generador se determina de forma iterativa durante el funcionamiento utilizando una tensión actual máxima ajustable (U^dc), una frecuencia angular actual (W^el) de la máquina eléctrica, los parámetros (P) de la máquina eléctrica y una corriente de fase máxima admisible.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, en donde al menos un flujo encadenado y/o al menos una inductancia de la máquina eléctrica (100) se utilizan como parámetros (P) de la máquina eléctrica.

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2 o 3, en donde los parámetros (P) de la máquina eléctrica se determinan a partir de un valor q de una corriente de fase (I^q) y/o un valor d de una corriente de fase (I^d) y/o una corriente de excitación (I^ex).

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, en donde el valor q de la corriente de fase (I^q) y/o el valor d de la corriente de fase (I^d) se determinan a partir de las corrientes de fase medidas (IA, IB, IC, ID, IE) de la máquina eléctrica.

6. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el ángulo de inclinación (420, 421) para el funcionamiento del motor y/o el funcionamiento del generador se determina iterativamente durante el funcionamiento utilizando una temperatura actual (T) de la máquina eléctrica.

7. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el ángulo de preconmutación (a) se ajusta como parte de un control subordinado.

8. Disposición que comprende una máquina eléctrica con medios de medición de las corrientes de fase (IA, IB, IC, ID, IE) y una unidad de cálculo (140) dispuesta para realizar un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

9. Programa informático que hace que una unidad de cálculo (140) de una disposición de acuerdo con la reivindicación 8 realice un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 cuando se ejecuta en la unidad de cálculo (140).

10. Medio de almacenamiento legible por máquina que tiene un programa informático almacenado en él de acuerdo con la reivindicación 9.