MXPA04008237A - Metodo para la modulacion del ancho de los impulsos secuenciados, y aparato para controlar y alimentar una pluralidad de motores de corriente directa. - Google Patents

Abstract

Se describe un sistema de control para controlar en forma individual la energia desde una sola fuente de tension para una pluralidad de motores Un circuito interruptor pulsatorio, junto con el sistema de control, genera impulsos excitadores que hacen funcionar los dispositivos conmutadores IGBT para proporcionar, en forma sucesiva, impulsos a cada motor.

Description

MÉTODO PARA LA MODULACIÓN DEL ANCHO DE LOS IMPULSOS SECUENCIADOS , Y APARATO PARA CONTROLAR Y ALIMENTAR UNA PLURALIDAD DE MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA Campo técnico La presente invención se refiere al campo del control de los motores de corriente directa, y más específicamente, a un método para utilizar la modulación de la anchura o duración de los impulsos secuenciales para controlar y alimentar una pluralidad de motores de corriente directa.

Antecedentes Esta invención se refiere, en general, a los sistemas de alimentación y control para motores de Corriente Directa (CD) . Más específicamente, esta invención se refiere a los sistemas para alimentar y controlar individualmente una pluralidad de motores de CD en las direcciones de avance y retroceso y a lo largo de un continuo de velocidades.

Los motores de corriente directa han funcionado como la fuera motriz en una variedad de aplicaciones que incluye locomotoras, barcos, camiones, camionetas, automóviles, equipo agrícola, montacargas, elevadores, grúas, podadores y cortadoras de césped, así como vehículos recreativos, como botes y carritos de golf. En aplicaciones seleccionadas, como las locomotoras, se utilizan múltiples motores de corriente directa.

Se conoce de la técnica anterior el control de la velocidad de un motor de corriente directa en serie utilizando un circuito interruptor pulsatorio que incluye un dispositivo disyuntor tiristor en serie con el motor. Esta es una forma más eficiente para el control comparada con la que utiliza sistemas de control por resistencia o de regulación por reóstato. El control de la velocidad del motor se consigue modificando la amplitud de los impulsos de tensión o voltaje enviados al motor, de modo que la energía promedio resultante suministrada al motor determine la velocidad operante del motor. Un tiristor es un tipo de diodo con una compuerta de control que permite pasar la corriente a través de éste cuando se activa la compuerta. El tiristor se conmuta por la corriente aplicada a éste en la dirección inversa. De este modo, el tiristor actúa efectivamente como un diodo en cuanto a que solo permite la conducción en una dirección, no obstante, el punto en el que comienza la conducción puede controlarse mediante la aplicación de un impuñso de control a la compuerta o puerta electrónica. El circuito interruptor pulsatorios así gobierna la velocidad del motor encendiendo y apagando la tensión de entrada dependiendo de la tensión de salida necesaria: cuanto más tiempo se encienda el interruptor pulsatorio, mayor la tensión de salida. El tiempo que el interruptor pulsatorio está encendido se conoce como el tiempo de encendido, mientras que la relación del tiempo de encendido a apagado es la relación de la marca al espacio o relación de corte.

Para alimentar una locomotora por lo regular se utilizan diversos motores de corriente directa, se utilizan por ejemplo de 4 a 6 motores CD, pero en ocasiones 2 u 8. Antes se utilizaba un solo interruptor pulsatorio para regular la velocidad de los motores de CD. Esto tiene algunas desventajas. Por ejemplo, si una de las ruedas se desliza, el interruptor pulsatorio reduce la energía de todos los motores que aumentarían el problema.

Sería conveniente un sistema más eficaz para el control de la energía, uno que permita controlar en forma individual e independiente cada motor entre una pluralidad de motores de CD.

Compendio de la invención La presente invención propone un método para regular la energía proporcionada desde una fuente de energía a una pluralidad de motores de tracción, de corriente directa, que consiste en disponer de un circuito interruptor pulsatorio individual para cada motor de tracción. De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un método para regular la energía proporcionada desde una fuente de energía de corriente directa a una pluralidad de motores de tracción, de corriente directa, que consiste en: a) determinar la energía necesaria para cada motor en cada uno de un número de intervalos de tiempo sucesivos, b) determinar la tensión necesaria, eficaz, y la anchura del impulso para conseguir la energía necesaria para cada motor, c) pulsar en forma secuencial la energía a cada motor durante el tiempo necesario para conseguir el requisito de energía en cada intervalo de tiempo.

La presente invención además proporciona un aparato para regular la energía proporcionada desde una fuente de energía de corriente directa a una pluralidad de de motores de tracción, de corriente directa, que consta de: a) medios para determinar los requisitos de energía para cada motor en cada uno de un número de intervalos de tiempo sucesivos; medios para determinar la tensión necesaria, eficaz, y la anchura del impulso para conseguir la energía necesaria para cada motor; y c) medios para pulsar en forma secuencial la energía a cada motor durante el tiempo necesario para conseguir el requisito de energía en cada intervalo de tiempo.

Breve descripción de los dibujos La figura 1 es un diagrama en bloques que muestra un sistema de control eléctrico para regular individualmente una pluralidad de motores de corriente directa de conformidad con la invención.

La figura 2 es una tabla que muestra un ejemplo del desarrollo de la modulación de la anchura del impulso secuencial .

La figura 3 es una gráfica que ilustra una muestra de las curvas de la aplicación de energía deseada que se obtienen por la modulación de la anchura del impulso.

Descripción A lo largo de la siguiente descripción se mencionan los detalles específicos para permitir una comprensión más completa de la invención. No obstante, la invención puede practicarse sin estos datos particulares. En otros casos, los elementos bien conocidos no han sido mostrados ni descritos en detalle para evitar confundir la invención. Por consiguiente, la especificación y los dibujos han de considerarse en un sentido ejemplar más que restringido.

Con referencia a la figura 1, un sistema excitador para locomotora consiste en una fuente de energía de CD 10, como puede ser una batería, y una pluralidad de motores de CD 12, por lo regular 4 o 6 de éstos. Un dispositivo de entrada 14 proporciona información de entrada del regulador o la mariposa de válvula por medio de la cual el operador elige el requisito de velocidad o energía deseada. El operador también recibe información desde el controlador 16.

Un Controlador Lógico Programable [PLC] 16 recibe información desde el dispositivo de entrada 14 y envía la información hacia el sistema de control de energía. [El circuito interruptor pulsatorio 18 en el sistema de control de energía] , el cual después regula en forma individual una pluralidad de motores de CD 12.

El sistema excitador La fuente de energía de CD 10 puede ser una batería, una celda de combustible, una fuente externa como una catenaria o "tercer riel", o la salida de un generador accionado por motor. Como un ejemplo se ilustra una configuración de locomotora común de 4 motores CD con inversión de marcha 12. Por lo regular estos motores son capaces de velocidades equivalentes en cualquier dirección.

Dispositivos de entrada La información de entrada del regulador se hace disponible mediante un dispositivo de entrada 14 que utiliza el operador de la locomotora para solicitar la cantidad de energía que ha de ser aplicada a los rieles por los motores 12. Esta es por lo regular una muesca del regulador entre las posiciones en reposo y ocho, pero también podría ser un dispositivo electrónico, como un control infinitamente variable o pantalla táctil.

Se proporciona un dispositivo sensor de la tensión de la fuente de energía 20i para medir la tensión de la fuente de energía 10. Este es un dispositivo electrónico, como un transductor de tensión. Un dispositivo sensor de corriente 202 se proporciona para medir la cantidad de corriente que fluye desde la fuente de energía 10. Este sería un dispositivo electrónico, como un transductor de corriente. Otros dispositivos sensores de la corriente del motor, individuales, 22, permiten medir la cantidad de corriente que fluye a cada motor CD 12, permitiendo que la información sea suministrada al PLC 16. Estos por lo regular serían dispositivos electrónicos, como transductores de corriente.

Para evitar el daño asociado con corriente en exceso a un motor de tracción determinado y sus dispositivos electrónicos de corrientes fuertes asociados, los dispositivos sensores de corriente también se utilizan para detectar la cantidad de corriente en los circuitos de los motores de tracción individuales . Cuando la corriente que se vigila es supera un límite de protección, al instante una señal interrumpe la corriente que fluye desde la batería, limitando de este modo la corriente y llevando al mínimo el riesgo de daño asociado con el exceso de corriente.

Un dispositivo medidor de temperatura 24 mide la temperatura de los diferentes elementos de control de energía, los motores CD, y similares, y envía la información hacia al PLC 16. Los alternadores del eje 26 son dispositivos electrónicos capaces de medir las revoluciones del eje en el que están instalados. La información es enviada al PLC 16 para determinar velocidad o detectar situaciones que requieran atención o corrección, como el deslizamiento de una rueda.

El dispositivo lógico El PLC 16 se programa de acuerdo con los métodos normales para llevar a cabo las siguientes funciones. El PLC procesa las solicitudes de entrada del regulador, la tensión de la fuente de energía y determina los puntos de control de corriente para satisfacer los requisitos de energía de los motores de tracción individuales. También comprende una función Derate Evaluation Logic 28, a saber, la lógica para reducir la demanda de energía por debajo de la solicitada por el operador para proteger el equipo. Esto podría incluir reducir la energía en caso de que el equipo esté en riesgo de sobrecalentamiento o escaladas de corriente cercanas a los límites del diseño del equipo. Comprende una función Detection Scaling (Escalamiento de la detección) 30, a saber, la lógica para determinar el funcionamiento no óptimo, como el deslizamiento o patinaje de una rueda. La reducción de energía para los motores individuales se pone en práctica en el caso de patinaje diferencial de las ruedas y la energía total se reduce en el caso de patinaje síncrono de las ruedas .

Se proporciona una función de efecto rampa 32, a saber, la lógica para elevar el nivel de regulación solicitado a una velocidad razonable para la locomotora. También se dispone de una función (Power Dispatch Logic (lógica para despachar o distribuir la energía) 34, a saber, la lógica central que evalúa cualquier condición de reducción pertinente, el patinaje de alguna rueda, así como el nivel de regulación o estrangulación solicitado, para determinar el nivel de energía adecuado que ha de ser enviado al módulo para la Pulse Width Modulation (modulación de la anchura del impulso) 36, así como cualquier reducción de energía individual que pueda ser necesaria .

El sistema de control de energía/Circuito interruptor pulsatorio El circuito interruptor pulsatorio 18 consta de los siguientes elementos. Un reloj 38 consiste en un circuito integrado que genera una serie de impulsos. Un dispositivo sequenciador 40 es un circuito integrado que determina la secuencia de los impulsos en periodos uniformes para las regiones de la anchura del impulso para cada motor. Un módulo 36 para la modulación de la anchura de los impulsos [PWM] proporciona formas de onda triangulares "recortadas" que conducen a la creación de una serie de impulsos, los cuales se utilizan principalmente para alternar los dispositivos interruptores de alimentación en encendido y apagado de acuerdo con los impulsos. Los conmutadores excitadores 42 son Insulated Gate Bipolar Transistors [IGBT] (transistores bipolares de compuerta, aislados) que son dispositivos conmutadores capaces de "pulsar" en sucesión la fuente de energía a los diferentes motores a una velocidad muy rápida. También puede disponerse de un circuito inversor o de enganche (no se muestra) que esté establecido de modo que después de que el transistor conmutador de energía [IGBT] ha fallado para saturar completamente, interrumpirá la fuerza motriz para el transistor. Esto hace que el transistor se apague y evita que funcione en corto circuito.

La figura 2 muestra cómo los conmutadores excitadores distribuyen los impulsos de energía. La Barra A en las figuras 2A y 2B representa gráficamente el impulso de energía proporcionado al motor CD 122. La barra B en la figura 2A y 2B representa gráficamente el impulso de energía proporcionado al motor CD 122. La barra C en la figura 2A representa el impulso de energía proporcionado al motor CD 123. La barra D en la figura 2A y 2B ilustra el impulso de energía proporcionado al motor CD 124.La altura de la barra indica la corriente instantánea proporcionada al motor. En la figura 2A, que ilustra una muestra de una condición inicial, cada motor recibe energía durante 1/16 de ciclo. La selección de 1/16 de ciclo es sólo ejemplar. La duración del impulso real se determinaría por la duración del tiempo necesario para fluir corriente instantáneamente a cada motor, lo cual depende de la diferencia en la tensión entre la tensión de la fuente de energía y la tensión de salida promedio del interruptor pulsatorio, que es la fuerza electro motriz generada, de nuevo del motor. Cada secuencia de segmento es ½ de la frecuencia del reloj , que puede ser diseñada para una aplicación determinada. La altura de la barra indica la corriente instantánea proporcionada al motor. La figura 2B ilustra un estado en donde la rueda accionada por el motor 123 se patina. En este caso, cada motor 12!, 122 y 124 reciben energía durante ½ del ciclo, mientras que el motor 123 no recibe energía. La altura de la barra se reduce, mostrando la corriente instantánea reducida puesto que la tensión de la FE ha aumentado, reduciendo así la diferencia de la tensión, potencial, entre la batería y el motor. La duración del impulso ha aumentado porque la diferencia potencial, o fuerza motriz, ha disminuido, de modo que la corriente cae en proporción. Además, otra causa de la duración creciente del impulso sería una solicitud de energía aumentada por parte del operador. La figura 2C muestra el caso en estado estable en el que la Fuerza Electromotriz de retorno generada por la velocidad del motor además reduce el diferencial de tensión en los motores y se proporciona energía a todos los motores 100% del tiempo a la diferencia de tensión reducida.

La figura 3 muestra una familia de muestras de las Curvas de Energía constante. A un nivel de energía determinado, solicitado por el operador hay un elevado flujo de corriente promedio inicial hacia el motor, dado que la FEM de retroceso generada por el motor es baja cuando la velocidad es baja. A medida que aumenta la velocidad del motor aumenta la FEM de retroceso generada por el motor, la cual reduce la diferencia de tensión entre la fuente de la batería y el motor, cuyo resultado es un flujo de corriente reducido al motor. Se aplica energía constante al motor dado que el flujo de corriente cae proporcionalmente para coincidir con la tensión aumentada del motor.

Durante el funcionamiento, el PLC determina el requisito de energía para cada motor en cada intervalo de tiempo con base en las entradas del dispositivo de entrada 14, el efecto rampa 32, la lógica de evaluación de la reducción 28 y el escalamiento de la detección 30. Con base en entradas como éstas, el PLC 34 calcula la anchura del impulso necesario para cada motor. Las anchuras de los impulsos elegidas luego se hacen disponibles a los mecanismos motrices de los conmutadores los cuales proporcionan en forma sucesiva las anchuras deseadas de los impulsos de energía a los motores CD 12. Cuando la locomotora arranca, por ejemplo, existe elevada diferencia de tensión entre la batería y el motor para que pueda aplicarse elevada corriente al motor, el cual solo necesita una corta duración del impulso para cumplir con el requisito de energía especificado. Esto pone a la disposición toda la tensión de alimentación para arrancar en cualquier dirección. A medida que aumenta la velocidad del motor se crea contratensión que reduce la tensión efectiva o la diferencia de tensión entre la batería y el motor, necesitando así un impulso más prolongado para obtener la misma energía. Si se detecta patinaje de la rueda, es posible interrumpir o reducir adecuadamente la energía para el motor pertinente.

DE este modo, la invención proporciona la secuenciación del control de la energía a los motores de CD. Al secuenciar los impulsos de energía, los elevados impulsos de corriente para los motores de tracción individuales se separan y no se traslapan hasta que los requisitos de corriente se moderan a medida que aumenta la velocidad del motor con el diferencial de tensión disminuido, correspondiente entre la fuente de energía y el motor de tracción. Esta separación de los impulsos de corriente da como resultado requisitos de corriente instantáneos, individuales, que no se adicionan. Esta independencia de los requisitos de corriente individuales tiene el efecto positivo de llevar al mínimo los requisitos del filtro de entradas. Así pues, con una cantidad mínima de capacitares se obtiene baja impedancia de la fuente. Lo que es importante para el funcionamiento de la unidad excitadora .

Otro beneficio de la invención, procedente de la flexibilidad controlar individualmente la energía para una pluralidad de motores CD, es un abordaje eficiente y eficaz para corregir el patinaje de la rueda en una aplicación de locomotora de rieles. El circuito simplificado permite un medio directo para retirar suavemente y luego restablecer la energía a una rueda deslizante manteniendo al mismo tiempo el nivel de energía antes del patinaje para las ruedas que no experimentan patinaje. Esto tiene la ventaja de reducir en gran medida las reducciones de energía por lo regular experimentadas con los patinajes de las ruedas ocasionales.

De este modo, la presente invención proporciona un sistema para cortar en forma individual la energía y luego progresivamente restablecer la energía para algún motor en particular, manteniendo al mismo tiempo la energía en los motores restantes. Se proporciona un sistema de control para limitar la corriente extraída desde la fuente de energía así como las corrientes individuales extraídas por cada uno de los motores .

Como será evidente para los expertos en la técnica, a la luz de la descripción antes mencionada, en la práctica de esta invención son posibles múltiples cambios y modificaciones sin apartarse del espíritu o alcance de ésta. Por consiguiente, el alcance de la invención debe considerarse de conformidad con el tema definido por las siguientes cláusulas.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES Un método para regular la energía proporcionada desde una fuente de energía a una pluralidad de motores de tracción de corriente directa proporcionando un circuito interruptor pulsatorio individual para cada motor de tracción. Un método para regular la energía proporcionada . desde una fuente de energía de corriente directa a una pluralidad de motores de tracción de corriente directa, que consiste en: a) determinar el requisito de energía para cada motor en cada uno de un número de intervalos de tiempo sucesivos: b) determinar la tensión efectiva y la anchura de impulsos necesarias para obtener la energía deseada para cada motor; c) pulsar en secuencia la energía a cada motor para una duración necesaria para conseguir el requisito de energía en el intervalo de tiempo. El método de la reivindicación 2, caracterizado porque los impulsos de energía secuenciales no se traslapan hasta que la velocidad del motor se ha elevado a un nivel determinado . El método de la reivindicación 2, caracterizado porque la energía se corta y luego se restablece para un primer motor de tracción, manteniendo al mismo tiempo la energía constante para los motores restantes, para corregir la pérdida de tracción en un motor individual . El método de la reivindicación 2, caracterizado porque se proporciona protección contra sobrecorriente para cada motor de corriente directa, controlado en forma individual . El método de la reivindicación 2, caracterizado porque también se proporciona energía a todos los motores constantemente a la tensión reducida durante intervalos elegidos . Un aparato para regular la energía proporcionada desde una fuente de energía de corriente directa a una pluralidad e motores de tracción, de corriente directa, que consta de: a) medios para determinar el requisito de energía para cada motor en cada uno de un número de intervalos de tiempo sucesivos: b) medios para determinar la tensión y la anchura de impulsos necesarias para obtener la energía deseada para cada motor; y c) medios para pulsar en secuencia la energía a cada motor para una duración necesaria para conseguir el requisito de energía en el intervalo de tiempo. El aparato de la reivindicación 7, caracterizado porque el medio para pulsar en secuencia la energía a cada motor consiste en un dispositivo para la modulación de la anchura del impulso. El aparato de la reivindicación 8, caracterizado porque el medio para pulsar en secuencia la energía a cada motor consiste en un reloj . El aparato de la reivindicación 7, caracterizado porque el medio para pulsar en secuencia la energía a cada motor consiste en una pluralidad de conmutadores excitadores. El aparato de la reivindicación 7, caracterizado porque el medio para determinar el requisito de energía para cada motor en cada uno de un número de intervalos de tiempo sucesivos, y el medio para determinar la tensión y anchura de impulso necesarias para obtener la energía deseada para cada motor consiste en un controlador lógico programable. El aparato de la reivindicación 7, caracterizado porque el medio para determinar el requisito de energía para cada motor en cada uno de un número de intervalos de tiempo sucesivos consiste en un regulador. El aparato de la reivindicación 7, caracterizado porque el medio para determinar el requisito de energía para cada motor en cada uno de un número de intervalos de tiempo sucesivos consiste en un (dispositivo sensor de corriente de la fuente de fenergía y un dispositivo sensor de la tensión de la fuente de energía. El aparato de la reivindicación 7, caracterizado porque el medio para determinar el requisito de energía para cada motor en cada uno de un número de I intervalos de tiempo sucesivos consiste en un dispositivo sensor de corriente del motor de tracción. El aparato de la reivindicación 7, caracterizado porque el medio para determinar el requisito de energía para cada motor en cada uno de un número de intervalos de tiempo sucesivos consiste en un dispositivo para el efecto rampa. El aparato de la reivindicación 7, caracterizado porque el medio para determinar el requisito de energía para cada motor en cada uno de un número de intervalos de tiempo sucesivos consiste en un dispositivo escalador de la detección. El aparato de la reivindicación 7, caracterizado porque el medio para determinar el requisito de energía para cada motor en cada uno de un número de intervalos de tiempo sucesivos consiste en un dispositivo lógico para la evaluación de la reducción. El aparato de la reivindicación 10, caracterizado porque los conmutadores excitadores son transistores bipolares de compuerta aislados . El aparato de la reivindicación 10 además contiene el medio circuito inversor adaptado para interrumpir el mecanismo excitador para el conmutador excitador después de que el conmutador excitador ha fallado para saturar completamente para evitar por este medio el funcionamiento en corto circuito.