PT1630948E - Regulação da potência em máquinas de indução - Google Patents
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Description
1
DESCRIÇÃO "REGULAÇÃO DA POTÊNCIA EM MÁQUINAS DE INDUÇÃO" Âmbito da invenção A presente invenção refere-se à regulação da potência activa e reactiva produzida ou consumida por uma máquina de indução.
Antecedentes da invenção.
As máquinas de indução como as máquinas síncronas e assíncronas com rotor de gaiola ou de anéis colectores são aplicadas numa variedade de utilizações técnicas, tanto no funcionamento a motor como no funcionamento com gerador. São, por exemplo, utilizados geradores assíncronos e síncronos em instalações para a produção descentralizada de energia eléctrica, como é o caso em centrais de energia eólica, geradores da energia das ondas, acumuladores de massa oscilante e centrais de calefacção colectiva.
Com uma rotação quase constante, os geradores síncronos e assíncronos com rotor em curto-circuito, encontram-se, em princípio, na posição de transferir a energia eléctrica produzida com tensão e frequência constantes, directamente à rede de corrente trifásica. As vantagens deste tipo de sistemas são a montagem fácil e robusta, baixo custo de manutenção e elevada fiabilidade.
Os sistemas de rotação variável, como p. ex. a máquina assíncrona com rotor de anéis, podem obter uma potência 2 eléctrica adaptada quando a rotação do gerador varia. 0 estator da máquina está ligado a uma rede e a amplitude e a frequência da sua tensão são determinadas pela rede. 0 rotor recebe uma tensão variável com amplitude e frequência variável através de um inversor de impulsos, que faz parte de um conversor. A alteração desta tensão de sistema trifásico aplicada ao rotor com frequência de deslizamento variável permite ajustar todos os possíveis estados de funcionamento (p. ex. funcionamento sub-síncrono ou sobre-síncrono, bem como funcionamento com motor e com gerador).
Para regular máquinas de indução utiliza-se normalmente a regulação orientada por fase, como é apresentada por exemplo na EP 0 043 973 AI. O objectivo da regulação orientada por fase consiste em realizar o desacoplamento de componentes, que criam a fase e binário da corrente, ou seja, que o binário e a corrente de excitação (ou o fluxo do rotor) possam ser regulados independentemente um do outro. Este comportamento verifica-se em máquinas assíncronos com rotor de anéis quando a corrente do rotor é orientada para o indicador de espaço do fluxo do rotor. A regulação realiza-se aqui num rotativo sistema de coordenadas de fase, onde deve estar definida a transformação das coordenadas do ângulo da posição do rotor e a posição do indicador da tensão do indutor. A potência activa e a potência reactiva da máquina de indução podem ser reguladas neste processo apenas indirectamente, sendo ainda necessário um circuito de regulação de débito alojado por baixo do circuito de regulação da potência em forma de uma regulação em cascata.
Ao contrário da regulação orientada por fase, o documento "Sensorless Multiscalar Control of Double Fed 3
Machine for Wind Power Generators" de Z. Krzeminski publica na IEEE Conference Power Conversion em Osaka, Japão, 2002, uma regulação de potência para uma máquina assíncrona de dupla alimentação, que permite que a regulação se baseie num modelo de sistemas multi-escalar. O modelo de sistema baseia-se na definição de variáveis de estado da máquina assíncrona e respectivas equações de estado (equações diferenciais) das variáveis de estado. Através da utilização de reacções não lineares, as equações de estado são linearizadas e o sistema global é transferido para dois sistemas parciais lineares, um mecânico e um eléctrico. A regulação do sistema parcial mecânico é efectuada por um regulador proporcional integral, que regula desvios à grandeza nominal da variável de estado, que se apresenta como produto cartesiano (ou seja, produto vectorial) do fluxo do estator e corrente do rotor, enquanto que a regulação do sistema parcial electromagnético é efectuada por um regulador proporcional integral, que regula desvios à grandeza nominal da variável de estado, que se apresenta como produto escalar da corrente do estator e corrente do rotor. Para regular a potência activa e a potência reactiva é necessário alojar um circuito de regulação em cascata por cima dos circuitos de regulação do sistema parcial mecânico e electromagnético. Assim, a grandeza de saída do regulador da potência activa representa a grandeza nominal para o circuito de regulação mecânico, e a grandeza de saída do regulador da potência reactiva representa a grandeza nominal para o circuito de regulação electromagnético.
Na regulação da potência segundo Krzeminski a regulação já não é efectuada num rotativo sistema de coordenadas por fase, podendo ser efectuada num sistema de 4 coordenadas de enrolamento fixo, ou seja, num sistema de coordenadas de estator fixo ou de rotor fixo. A utilização de produtos cartesianos e escalares do fluxo de estator e do rotor possibilita a regulação em sistemas de coordenadas de enrolamento fixo, pois os produtos contêm toda a informação sobre a posição do vector do fluxo do estator e do vector da corrente do rotor. A reacção não linear permite uma linearização e, consequentemente, uma simplificação do circuito de regulação mecânico e electromecânico. A regulação da potência de Krzeminski apresenta porém, algumas desvantagens. Os parâmetros da regulação dependem fortemente do ponto de funcionamento utilizado (p. ex. da rotação), de modo que os reguladores utilizados do circuito de regulação da potência e dos circuitos de regulação mecânicos e electromecânicos sub-alojados tenham de ser novamente definidos em diferentes pontos de funcionamento. Além disso, a área de deslizamento da regulação está limitada. Apesar de tudo não há uma dinâmica e estabilidade satisfatória da regulação.
Resumo da invenção A presente invenção pretende disponibilizar uma regulação fácil e ao mesmo tempo estável da potência activa e reactiva de máquinas de indução.
Para resolver esta questão é proposto um processo para regulação da potência activa e reactiva produzida ou consumida por uma máquina de indução num sistema de coordenadas de enrolamento fixo, em que em função de um desvio à grandeza nominal da potência activa, é obtida uma 5 primeira grandeza de salda do regulador através de um primeiro regulador e, em função de um desvio à grandeza nominal da potência reactiva é obtida, através de um segundo regulador, uma segunda grandeza de saida do regulador, sendo aplicadas à primeira e à segunda grandeza de saida do regulador respectivas grandezas de reacção, que são funções de pelo menos uma grandeza de sistema (temporalmente alterável) da máquina de indução, caracterizado pelo facto de pelo menos a partir da primeira e segunda grandeza de saida do regulador sujeitos às grandezas de reacção ser determinada, sem ter de proceder a mais nenhuma regulação, uma tensão ou corrente como grandeza reguladora da máquina de indução.
Na máquina de indução pode tratar-se de uma máquina assíncrona com rotor de gaiola ou rotor de anéis ou pode tratar-se de uma máquina sincrona, que podem funcionar como motor ou como gerador. No caso de uma máquina assíncrona o funcionamento pode ser tanto sub como sobre-síncrono.
Para controlar a potência activa e reactiva da máquina de indução é respectivamente definida uma grandeza nominal para a potência activa e outra para a potência reactiva e, comparando com as potências activas e reactivas medidas (potências reais), é apurado um eventual desvio à grandeza nominal. Em desvios à grandeza nominal é alterada uma tensão ou corrente da máquina de indução como grandeza de ajuste da regulação até os desvios à grandeza nominal desaparecerem ou, pelo menos, ficarem abaixo de um limite pré-determinado. Quando na máquina de indução se trata de uma máquina assíncrona de dupla alimentação, a grandeza reguladora pode ser, por exemplo, a tensão definida no rotor. 6 A regulação é efectuada num sistema de coordenadas de enrolamento fixo (estator ou rotor fixo) , o que pode ser, por exemplo, conseguido através de uma opção adequada das grandezas de reacção. Ao contrário da regulação orientada por fase, a regulação da presente invenção não requer quaisquer informações sobre a posição do indicador de espaço e correntes e tensões da máquina de indução (p. ex. do indicador da tensão do indutor) relativamente a um determinado sistema de coordenadas.
Em conformidade com a presente invenção é apenas utilizado um regulador para a respectiva regulação do desvio à grandeza nominal da potência activa e do desvio à grandeza nominal da potência reactiva. Pode tratar-se de um regulador linear, como por exemplo um regulador proporcional (regulador P) , um regulador proporcional integral (regulador PI) com algoritmo linear de integrador, um regulador proporcional diferencial (regulador PD) ou um regulador proporcional integral diferencial (regulador PID), ou ainda um regulador não linear, como por exemplo um regulador proporcional integral com algoritmo de integrador não linear; podem, porém, utilizar-se também todos os outros tipos de reguladores. Esta estrutura simples é conseguida pelo facto de serem directamente escolhidas como variáveis de estado (que têm por base a regulação) a potência activa e reactiva. Deste modo, pode prescindir-se de outros circuitos de regulação sub-alojados. Além disso, são aplicadas à primeira e segunda grandeza de saida do regulador grandezas de reacção, que são seleccionadas de modo que as variáveis de estado sejam, pelo menos parcialmente, desacopladas e se obtenha uma estabilização e simplificação do sistema global. 7 A partir da primeira e segunda grandeza de salda do regulador sujeitas às grandezas de reacção e, se necessário ainda outras grandezas, é apurada uma corrente ou tensão (como grandeza reguladora) da máquina de indução, através de uma função preferencialmente pré-definida sem necessitar de outra regulação das grandezas de sarda do regulador sujeitas às grandezas de reacção. Deixa então de ser necessário igualar as grandezas de saida do regulador a quaisquer valores nominais pela utilização de outros reguladores.
Base para a solução em conformidade com a invenção é a inserção de uma regulação multi-escalar, na qual, ao contrário do estado actual da técnica, a potência activa e reactiva são directamente definidas como variáveis de estado. Isto permite prescindir, na sintese da regulação, dos circuitos de regulação sub-alojados. A introdução das grandezas de reacção permite remodelar as equações originais de estado da máquina de indução, de modo a resultar numa estabilização e simplificação das equações de estado. As grandezas de reacção são definidas como funções de pelo menos uma grandeza de sistema (temporalmente alterável) da máquina de indução, em que as comprovadas grandezas de sistema temporalmente alteráveis são por exemplo representadas por tensões, corrente ou fluxos no estator e/ou rotor da máquina de indução ou pela rotação do rotor. As grandezas de reacção e os parâmetros dos reguladores são vantajosamente coordenados uns com os outros e com o sistema por regular.
Em conformidade com uma versão privilegiada da presente invenção, os reguladores (46-1, 46-2) são reguladores lineares. 8
As grandezas de reacção, que são aplicadas à primeira e segunda grandeza de saida do regulador dos dois reguladores, podem ser seleccionadas de modo que o sistema global, que não é em si linear, seja linearizado pela selecção da potência activa e reactiva como variáveis de estado. A introdução destas, assim seleccionadas, grandezas de reacção vai fazer com que as equações de estado originais da máquina de indução sejam remodeladas, de modo a linearizar as equações de estado da potência activa e reactiva. As equações de estado linearizadas podem então ser representadas como elos lineares na matriz de estado, que descreve a ligação das variáveis de estado. Num caso particularmente vantajoso as equações de estado linearizadas para a potência activa e reactiva correspondem, por exemplo, a um sistema de filtros passa-baixo. As constantes de tempo destes sistemas de filtros passa-baixo dependem da matriz de estado do sistema global remodelado. Para regular a potência activa e reactiva do sistema remodelado podem então ser utilizados reguladores lineares, o que pode resultar numa regulação da potência activa e reactiva económica, mas principalmente também fácil e muito estável.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, os reguladores são reguladores proporcionais integrais. 0 regulador proporcional integral obriga ao desaparecimento de um desvio estacionário da regulação. Nesse sentido pode utilizar tanto reguladores proporcionais integrais ideais como não ideais. As constantes de tempo dos reguladores proporcionais integrais 9 são vantajosamente seleccionadas, tendo em conta a influência das grandezas de reacção sobre todo o sistema.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, é definida uma tensão de rotor da máquina de indução como grandeza reguladora. Na máquina de indução pode tratar-se então, por exemplo, de uma máquina assíncrona de dupla alimentação.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, é definida uma tensão de estator da máquina de indução como grandeza reguladora. Na máquina de indução pode tratar-se então, por exemplo, de uma máquina assíncrona com rotor de gaiola.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, é definida uma corrente de excitação da máquina de indução como grandeza reguladora. Na máquina de indução pode tratar-se então, por exemplo, de uma máquina síncrona externamente excitada.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, é negligenciada durante o cálculo das grandezas de reacção, a resistência ómica do estator da máquina de indução. Isto facilita muito o cálculo das grandezas de reacção. As eventuais imprecisões da modelização do sistema devido à negligência da resistência do estator são vantajosamente compensadas pelo circuito de regulação.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, parte-se no cálculo das grandezas de reacção, de um estado estacionário. Também esta medida vai facilitar muito o cálculo das grandezas de reacção. As eventuais imprecisões da modelização do sistema devido à 10 aceitação de um estado estacionário são vantajosamente compensadas pelo circuito de regulação.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, é regulada a potência activa e reactiva do estator da máquina de indução.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, a potência activa e reactiva da rede, à qual está ligada a máquina de indução, é regulada.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, é aplicada à primeira grandeza de saida do regulador uma grandeza de reacção, que corresponde ao produto vectorial da tensão do rotor e fluxo do estator da máquina de indução, e à segunda grandeza de saida do regulador é aplicada uma grandeza de reacção, que corresponde ao produto escalar da tensão do rotor e fluxo do estator. Os produtos cartesianos e escalares não têm de ser forçosamente directamente calculados a partir da tensão do rotor e do fluxo do estator, sendo também possível fazer um cálculo indirecto das grandezas de reacção através de funções das grandezas de sistema da máquina de indução, que correspondem aos produtos cartesianos e escalares. A opção das grandezas de reacção, conforme esta versão privilegiada da presente invenção, adequa-se particularmente a uma máquina assíncrona de dupla alimentação, onde é utilizada a tensão do rotor como grandeza de ajuste da regulação. A utilização de produto cartesiano e produto escalar da tensão do rotor e fluxo do estator na regulação em conformidade com a invenção permite prescindir da informação sobre as posições do indicador de espaço relativamente a um determinado sistema de coordenadas e, apesar da não linearidade do sistema original, possibilita 11 uma fácil síntese do regulador. Fisicamente o estado da máquina depende da posição mútua dos indicadores de espaço escolhidos para descrever a dinâmica. As relações entre indicadores de espaço podem, porém, também ser descritos sem informação de ângulos separada pelo produto cartesiano e escalar. 0 esboço da regulação pode ser efectuado em qualquer sistema de coordenadas de enrolamento fixo (p. ex. de estator ou rotor fixo).
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, as grandezas de reacção são funções, pelo menos, da tensão do estator, fluxo do estator, da corrente do rotor e da rotação do rotor. As grandezas de reacção não podem, em geral, ser calculadas directamente através dos produtos cartesianos e escalares da tensão do rotor e fluxo do estator, pelo facto da tensão do rotor servir de grandeza reguladora. A partir das equações de estado que descrevem as variáveis de estado da máquina de indução, é possível deduzir as grandezas de reacção como funções, pelo menos, da tensão do estator, do fluxo do estator, da corrente do rotor e da rotação do rotor. Estas funções podem ainda depender das indutividades da máquina de indução e da resistência do estator. A dependência das grandezas de reacção da tensão do estator, fluxo do estator, corrente do rotor e rotação do rotor verifica-se, por exemplo, no caso da máquina assíncrona de dupla alimentação se utilizar a tensão do rotor como grandeza de ajuste da regulação.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, a tensão do rotor da máquina de indução é definida como grandeza reguladora (sem mais nenhuma regulação) a partir da primeira e segunda grandeza de saída 12 do regulador sujeitas às grandezas de reacção e do fluxo do estator. Este tipo de procedimento é particularmente vantajoso numa máquina assíncrona de dupla alimentação.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, mede-se pelo menos a tensão do estator e da corrente do rotor da máquina de indução. Este tipo de procedimento é particularmente vantajoso numa máquina assíncrona de dupla alimentação. A medição pode ser, por exemplo, efectuada em coordenadas trifásicas naturais e as grandezas de medição podem depois ser transformadas num sistema de coordenadas bifásico.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, é medida a corrente do estator da máquina de indução. Se não existir nenhum emissor de posição para medir o ângulo da posição do rotor e a rotação do rotor, pode ser necessário proceder à medição da corrente do estator para conseguir um cálculo do ângulo da posição do rotor e da rotação do rotor.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, a rotação do rotor da máquina de indução é medida ou é determinada a partir da tensão do estator, da corrente do estator e da corrente do rotor da máquina de indução. A medição da rotação do rotor pode ser, por exemplo, efectuada através de um emissor de posição.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, o ângulo da posição do rotor da máquina de indução é medido ou é determinado a partir da tensão do estator, da corrente do estator e da corrente do rotor da máquina de indução. A medição do ângulo da posição do rotor pode ser, por exemplo, efectuada através de um emissor de posição. 13
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, o fluxo do estator da máquina de indução é calculado a partir da tensão do estator e da frequência angular da tensão do estator da máquina de indução.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, as tensões e correntes da máquina de indução são respectivamente medidas e depois transformadas num sistema de coordenadas bifásico, e a grandeza reguladora é determinada num sistema de coordenadas bifásico e depois é transformada num sistema de coordenadas trifásico. As tensões e correntes da máquina de indução são ai medidas como grandezas trifásicas naturais.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, a máquina de indução é uma máquina assíncrona de dupla alimentação, cujo estator está directamente ligado a uma rede e cujo rotor está ligado a um conversor. 0 conversor pode conter dois inversores de impulsos e um circuito intermédio, podendo um dos inversores de impulsos estar ligado ao rotor e o outro inversor de impulsos à rede. A máquina de indução pode, porém, também ser uma máquina assíncrona com rotor de gaiola ou pode ser uma máquina síncrona.
Para resolver o objectivo da invenção propõe-se ainda um programa informático com comandos, cuja execução leva um processador a realizar o processo de regulação acima descrito. 0 processo de regulação previsto é extremamente adequado à implementação num processador, que p. ex. como grandeza de entrada recebe os desvios à grandeza nominal e as grandezas de reacção, e que como grandeza de saída produz a grandeza reguladora. Também o cálculo das grandezas de reacção pode estar implementado dentro do 14 programa, quando o processador é fornecido com os necessários valores de medição das correntes, tensões, fluxos e velocidade do ângulo da máquina de indução. 0 programa informático pode ser, por exemplo na colocação em funcionamento da máquina de indução, carregado para a memória principal do processador e ser ai executado. É vantajoso o facto de ser possivel proceder posteriormente a uma adaptação dos parâmetros dos reguladores ou, se necessário, das grandezas de reacção.
Para resolver o objectivo da invenção propõe-se ainda um produto do programa informático com um programa informático com comandos, cuja execução leva um processador a realizar o processo de regulação acima mencionado. 0 produto do programa informático pode ser, por exemplo, um suporte de dados alternados, como é o caso de um cartão de memória, uma disquete ou um CD, onde está guardado um programa informático com os comandos para executar o processo de regulação.
Para resolver o objectivo da invenção é ainda proposto um dispositivo para regular a potência activa e reactiva produzida e consumida por uma máquina de indução num sistema de coordenadas de enrolamento fixo, com um primeiro regulador para obter uma primeira grandeza de saída do regulador em desvios à grandeza nominal da potência activa, com um segundo regulador para obter uma segunda grandeza de saída do regulador em desvios à grandeza nominal da potência reactiva, e com meios para sujeitar a primeira e a segunda grandeza de saida do regulador a respectivas grandezas de reacção, que resultam como funções de pelo menos uma grandeza de sistema temporalmente alterável da máquina de indução, caracterizado pelo facto do dispositivo 15 englobar meios para determinar uma tensão ou uma corrente da máquina de indução como grandeza reguladora a partir, pelo menos, da primeira e da segunda grandeza de saida do regulador sujeitos às grandezas de reacção, sem requerer mais nenhuma regulação. 0 dispositivo segundo a presente invenção pode ser, por exemplo, uma unidade reguladora modular com interfaces para introduzir desvios à grandeza nominal e grandezas de medição e para produzir as grandezas reguladoras. Em alternativa, o dispositivo pode estar fixamente integrado na máquina de indução. 0 dispositivo requer, devido à opção adequada das grandezas de reacção, somente um regulador para regular a potência activa e um regulador para regular a potência reactiva, em que as grandezas de saida do regulador são combinadas para determinar a grandeza de ajuste da regulação depois de terem sido sujeitas às respectivas grandezas de reacção.
Em conformidade com uma versão privilegiada da presente invenção, os reguladores são reguladores lineares.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, os reguladores são reguladores proporcionais integrais.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, o meio para determinar uma tensão ou uma corrente da máquina de indução determina uma tensão do rotor como grandeza reguladora.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, o meio para determinar uma tensão ou uma corrente da máquina de indução determina uma tensão do estator como grandeza reguladora. 16
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, o meio para determinar uma tensão ou uma corrente da máquina de indução determina uma corrente de excitação como grandeza reguladora.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, a potência activa e reactiva do estator da máquina de indução é regulada.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, a potência activa e reactiva da rede, à qual está ligada a máquina de indução, é regulada.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, a grandeza de sarda do primeiro regulador é sujeita a uma grandeza de reacção, que corresponde ao produto vectorial da tensão do rotor e fluxo do estator da máquina de indução, e a grandeza de saida do segundo regulador é sujeita a uma grandeza de reacção, que corresponde ao produto escalar da tensão do rotor e fluxo do estator.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, as grandezas de reacção são funções da tensão do estator, do fluxo do estator, da corrente do rotor e da velocidade do ângulo do rotor.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, a tensão do rotor da máquina de indução é definida como grandeza reguladora (sem mais nenhuma regulação) a partir da primeira e segunda grandeza de saida do regulador sujeitas às grandezas de reacção e do fluxo do estator.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, o dispositivo engloba meios para medir a 17 tensão do estator e da corrente do rotor da máquina de indução.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, o dispositivo engloba meios para medir a corrente do estator.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, o dispositivo engloba meios para medir a rotação do rotor da máquina de indução ou para determiná-la a partir da tensão do estator, da corrente do estator e da corrente do rotor da máquina de indução.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, o dispositivo engloba meios para medir a rotação o ângulo da posição do rotor da máquina de indução ou para determiná-la a partir da tensão do estator, da corrente do estator e da corrente do rotor da máquina de indução.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, o dispositivo engloba meios para medir as tensões e correntes da máquina de indução e para sua transformação num sistema de coordenadas bifásico, e meios para transformar uma grandeza reguladora determinada num sistema de coordenadas bifásico num sistema de coordenadas trifásico.
Em conformidade com outra versão privilegiada da presente invenção, a máquina de indução é uma máquina assíncrona de dupla alimentação, cujo estator está directamente ligado a uma rede e cujo rotor está ligado a um conversor.
Para resolver o objectivo da invenção é ainda proposta uma máquina de indução com um dispositivo para regular a potência activa e reactiva produzida ou consumida pela 18 máquina de indução num sistema de coordenadas de enrolamento fixo conforme as caracteristicas do dispositivo já acima descrito. A máquina de indução pode ser uma máquina assíncrona com rotor de gaiola ou de anéis, como também pode ser uma máquina síncrona.
Passamos a esclarecer melhor estes e outros aspectos da presente invenção por meio da seguinte descrição pormenorizada das versões privilegiadas.
Breve descrição das figuras
Nas figuras temos:
Fig.l: uma apresentação esquemática de uma máquina assíncrona de dupla alimentação numa rede de corrente trifásica;
Fig.2: uma apresentação esquemática da regulação, em conformidade com a invenção, da potência activa e reactiva da máquina assíncrona de dupla alimentação conforme a fig. 1; e
Fig.3: uma apresentação esquemática da unidade de processamento de grandezas de medição 44 da fig. 2.
Descrição detalhada da invenção A presente invenção refere-se à regulação da potência activa e reactiva de máquinas de indução. Esta regulação será explicada a seguir com o exemplo de uma máquina 19 assíncrona de dupla alimentação com conversor no circuito do rotor. A regulação em conformidade com a invenção é igualmente adequada também a outras máquinas de indução, principalmente a máquinas assíncronas com rotor de gaiola e conversor completo no circuito do estator e a máquinas síncronas. A fig. 1 mostra uma máquina assíncrona 1 destas, composta por um estator (indutor) 10 e um rotor 11. O rotor é ligado, directamente ou através de uma transmissão, a um veio primário e pode, por isso, consumir (funcionamento com gerador) ou produzir (funcionamento a motor) opcionalmente uma potência mecânica. rotor pode também ser O estator 10 da máquina assíncrona 1 conforme a fig. 1 está directamente ligado a uma rede de corrente trifásica 3, enquanto o rotor 11 é ligado através de um conversor 2 à rede de corrente trifásica 3. O conversor 2 é composto por um inversor de impulsos do lado da rede 22 e por um inversor de impulsos do lado da máquina 20. Para desacoplar ambos os inversores de impulsos 20 e 22 está previsto um condensador 21 no circuito intermédio, de modo que as potências de deslizamento possam ser transmitidas em ambas as direcções através de um conversor 2. Devido à ligação fixa do estator 10 à rede de corrente trifásica 3 a tensão do estator está, em geral, definida pela rede (segundo a amplitude e a frequência), constituindo aqui as redes separadas uma excepção. Ao rotor 11 é atribuída uma tensão variável com frequência variável através do inversor de impulsos 20, pelo que podem ser ajustados diferentes estados de funcionamento (funcionamento sub-síncrono/sobre-síncrono e funcionamento a motor/a gerador). Com a atribuição da tensão de 20 respectivamente controlado o consumo ou produção da potência activa e da potência reactiva da máquina assíncrona 1. O modelo matemático da máquina assíncrona 1 conforme a fig. 1 pode ser, em geral, representado da seguinte forma:
“> = R,K d'Vs dr
(D (2) u, = *Λ +^γ~+ Κωα-ωΓ)ψ,, ατ_
J άωΓdr (3)
Aqui ΨΓ e Ψ3 são os vectores do fluxo do estator e do rotor, is e ir são os vectores da corrente do estator e do rotor, us e ur são os vectores da tensão do estator e do rotor, Rs e Rr são as resistências do enrolamento do estator e do rotor, m0 é o binário, J é o momento de inércia, ωΓ é a rotação do rotor, ma é a velocidade rotativa do sistema de coordenadas de referência e t é o tempo relativo. As letras a negrito designam aqui e a seguir as grandezas vectoriais, enquanto que as letras em itálico designam aqui e a seguir as grandezas escalares.
Entre as correntes e os acoplamentos de fluxo existe a seguinte relação: (4) 21
i Γ
(5) em que Ls, Lr e Lm designam a indutividade do estator, a indutividade do rotor e a contra-indutividade. A remodelação das equações (1) a (5) leva a uma forma favorável da equação diferencial da máquina assíncrona: dx
£ Ψsaí + ^s £ KaS + UsaS (6) άψ: sfiS _
R dx = -7-r.ps+Rs-r
rfiS
+ U
sfiS (7) di. raS _^ dx
Lw„ R.L.. L L. ΨsaS--ω'Ψ*βΞ +
Kwa
VV W„ K vv di L]Rr + ÚmR, dx lrfiS + RL L L~^Ψ:βϊ + — ^Ψ,βϊ +~ ~^“rfiS--“ W„ W„
*sfiS (9) (10) 22 (10) 22
άωΓ Lm άτ JLS A variável wQ está definida como
(11)
Nas equações (6) a (10) e a seguir o primeiro indice designa respectivamente o local (R: rotor, S: estator), o segundo indice apresenta o respectivo componente num sistema de coordenadas bifásico (α,β), e o terceiro indice designa o sistema de referência utilizado (S: estator de enrolamento fixo, R: rotor de enrolamento fixo). A presente invenção parte da seguinte opção das variáveis de estado para descrever o estado da máquina assíncrona: - rotação do rotor ωΓ, - potência activa do estator ps, - potência reactiva do estator qs e - quadrado do fluxo do estator 23
Na rotação do rotor ωΓ aplica-se a seguinte relação: da)r άτ (12) ~ {ψ$aS^rpS ΨsfisKaS ) ^ '
Os valores momentâneos da potência do gerador podem ser descritos por meio das equações (13) e (14) : (13) Z UsaSlsaS +UsfiSls0S · = UsaSlsfiS + UsfiSliaS ' (14)
Assumindo um estado estacionário, as potências do gerador podem ser representadas da seguinte forma: 24 A ~ j {UsasV^saS + UsfiS^sfiS )
A
Lm {UspsPsaS ~ ^saS ΨsfiS )(^saSKfis Ψsfis* raS ) t ψ* + _j_ An (AotS ^5+^05^)(^5 KaS + IPsfishfiS ) A__ (15) βτ ~ ^ {Usfis¥saS UsaSlf/sfiS)
Lm {UsfisWsaS ~ ^saS Ψφ* ){ψ^ raS + ¥sps i rfiS ) ~X κ
An (UsasVrsaS + UsfiSΨίβ$}{ψsaS^ rfiS WsfisKaS ) A_ψ*_ (16) a aplicação A diferenciação das equações (15) e (16) das equações (6), (7), (8) e (9) permite obter, após simplificação, as seguintes equações de diferencial: 25 25 Φν άτ
Ρ _Λ______ ^_ •Γ. Lm {uspsyfsaS ~USasWsfiS ) . + T-“-— [Ws^ras + Tv U!fis¥saS Usas¥sfiS __1 Usas¥saS Us0s¥s0S ^,2 + T* ^m{Usfis¥saS ~Usas¥sfis) ¥sfisKfiS ) + ^r(^OÍ< raS Ws0SlrfiS ) "*" "*~Φ ¥tS "* {Urfis¥saS Uras¥sfiS ) {.Usfis¥saS Usas¥s0S ) *>σ Wa Wa
+ UsaSlrfiS ~ UsBshaS J (17) Φλ Ψ,
sS {UsfisWsaS Usas¥s0S )
1 UsasV^saS UsflsV^sfiS Tv UsfisV/saS ~Usas¥s0S
_ΐϋ1+ T. L R.L„ R.L_ ( WsasKfiS - Ws0sKaS ) + W)s + & ~Lrw„ Lr °*r {^sasKpS ¥s05*raS ) + (Uras¥saS + Ur0s¥s0S )
Wa ~~^~[y-sas¥saS * Us0s¥s0s)+ UsasKaS + Mi^Slr0j] (18)
Em que
RsLs+RsLr (18a) ser 0 quadrado do valor do fluxo do estator pode calculado da seguinte forma: 26
WsS = VtaS+tffiS (19) A diferenciação da equação (19) e a aplicação das equações (6) e (7) permite obter a seguinte equação de diferenciação: dr
+ 2
{ψlaS^raS + ΨχβίΚβς ) + ^-{UsasWsaS + UsPsWsfiS ) (20)
As quatro equações de estado do sistema com base na selecção das quatro variáveis de estado segundo a presente invenção podem ser resumidas da seguinte forma: 27 dú)r L_ { . x 1 drT ~ JL ^saslr^S ) J "*0 · (21) dps _ dt
Ps~ h Ψ* (US0s¥saS ~Usas¥ipS ) . 1 Usas¥mS ^ Usps¥íPS ^.,2 Tv Lm [usps¥iaS ~ Usas¥sfiS )
U:as¥mS + Usps¥s0S /: l Ψ saS ‘raS Ut0s¥saS Usas¥spS
+ ¥s0s‘r0S
+ ^r{V'saStraS+V',0SÍr0S + + ω'^ΓΨ* +^~{U^s¥saS -Uras¥sfis)-^-{U^SaS -“;as¥s0s) + + UmsKps ~ UspsKaS ] (22) dg,dl 1 A ~—Qs~ ~r wl T. Lm (usps¥saS usas¥s0S )
1 Usas¥saS + usps¥s0S Tv usβ%ψsaS ~ UsaSΨs0S _±VQ + T L_
RL
RL {WsasKfiS -Wipsirash-r-^tâ L,w„ L, ω, [v/sas‘r0S ΨsfishaS )+ {uras¥saS + Urps¥sfis) wc — (usaSy/saS + Usps¥s0S ) + UsasKaS + Us0sLpS ] (23)
dtyls) dT
V^ + 2 RLmL,
{WsasKaS + ¥sPsírps) + ^{Usas¥saS + Usfis¥sPs) · (24) 28 A selecção em conformidade com a invenção da rotação do rotor ωΓ, potência activa do estator ps , potência reactiva do estator qs e quadrado do fluxo do estator i|/2sS como variáveis de estado permite efectuar a regulação, em conformidade com a invenção, da potência activa e reactiva com apenas dois reguladores, um para a potência activa e outro para a potência reactiva, uma vez que as potências activa e reactiva são variáveis de estado imediatas. Deste modo, pode prescindir-se de circuitos de regulação sub-alojados e pode estabelecer-se a regulação de um modo particularmente fácil. Deixa também de ser necessário proceder a uma transformação do ângulo no circuito de regulação, de modo que o esboço da regulação possa ser feito num sistema de coordenadas à escolha.
As equações de diferencial (22) e (23) não são, porém, adequadas ao esboço do regulador devido à forte não linearidade. Por isso, a presente invenção prevê remodelar o sistema das equações de estado, de modo que a potência activa e reactiva formem um elo linear na matriz do sistema. Pela transformação da representação do estado do sistema, o sistema pode, porém, obter um carácter fortemente não linear. Este comportamento não linear é, por sua vez, compensado por elos de reacção não lineares. 0 ideal será o sistema definido de novo receber respectivamente para a potência activa e para a potência reactiva um comportamento de filtro passa-baixo de primeira categoria. As constantes de tempo destes filtros passa-baixo dependem da matriz de estado do sistema definido de novo. Ao sistema definido de novo podem então ser aplicados dois reguladores lineares, p. ex. dois reguladores proporcionais integrais. 29 A almejada linearização das equações de estado é obtida pela definição das variáveis:
V, — ur0s¥raS Uraí¥sfiS 1 Usas¥mS + Urfs¥s0S ,.,2 , YsS + {Usps¥saS Usas¥sps ) A v A A (Ui£S^ieS UsasWrflS ) 1 / - . \ ^ / \ l YsaSlraS ^ ΨspSLrpS ) + + 6), (^5'V«5 + )+^^5 J- {Usps¥saS ~UsasWsPs) + Usashps ~Usfis‘raS + Sl ) (25: V2 ~ UrasWsaS + Urps¥spS W_ — °
¥sS r i_fkV A Lm
An {Usps¥saS Usas¥spS ) 1 U,as¥!as + USps¥sfiS l · _ · \ + „ , \WsaSlrpS YsfiSlraS)^A {UsPs¥;aS ~Usas¥sfiS ) + KfiS ~¥sfis‘ras)- kWo A~{^sas¥.KaS + Usps¥spS ) + UsasKaS + UspSlrpS + S2 ) (26: em que as qrandezas Si e S2 são introduzidas de novo para possibilitar uma regulação do sistema. 30
Aparentemente, vi da equação (25) corresponde ao produto cartesiano da tensão do rotor e do fluxo do estator e v2 da equação (26) corresponde ao produto escalar da tensão do rotor e do fluxo do estator. A opção das variáveis de estado e destas variáveis v2 e v2 permite, na regulação em conformidade com a invenção, prescindir da informação sobre a posição do indicador de espaço, o que possibilita uma regulação num sistema de coordenadas de enrolamento fixo e, apesar da não linearidade, permite facilmente a síntese do regulador. Fisicamente o estado da máquina assíncrona 1 depende da posição mútua dos indicadores de espaço escolhidos para descrever a dinâmica. As relações entre indicadores de espaço podem, porém, também ser descritas sem informação de ângulos separada pelo produto cartesiano e escalar. Os vectores de estado em conformidade com a presente invenção foram, por isso, escolhidos para possibilitar uma descrição pelos produtos cartesianos e escalares.
Uma vez que na tensão do rotor urs (descrita pelos componentes uraS e urps) nas equações (25) e (26) se trata da grandeza de ajuste da regulação, não é possível calcular as variáveis v2 e v2 directamente através da definição do produto cartesiano e escalar a partir da tensão do rotor e do fluxo do estator (comp. sempre a primeira linha das equações (25) e (26)). Os produtos cartesianos e escalares podem, porém, ser formulados e, assim, indirectamente calculados segundo a respectiva segunda linha das equações (25) e (26) pelas grandezas de sistema. A utilização das variáveis v2 e v2 segundo as equações (25) e (26) nas equações (22) e (23) permite obter a 31 desejada linearização das equações de estado, que se resumem do sequinte modo: da)r L ( . . \ 1 ~J^\WsaSlrfiS ΨsfiSlraS J~' (27)
/ ÉEi
dT (28) dr (29)
Tv qs+s 2 ’ dr
R R L 7 ~ (ΨsaS KaS Ψ^-[UsasWsaS Us£IS^^S ) (30)
As equações (27) a (30) são directamente utilizadas, em conformidade com a presente invenção, na síntese da regulação. 32 A fig. 2 é uma apresentação esquemática desta regulação. Estão representadas a máquina assíncrona de dupla alimentação 1 com estator 10 e rotor 11, a rede de alimentação 3 e o conversor 2.
Neste sistema são medidas e utilizadas na regulação diferentes tensões e correntes para executar a regulação, em conformidade com a invenção, da potência activa e reactiva. Inclui-se aqui a tensão de rede uN , a corrente da rede iN, a tensão do estator uss e a corrente do rotor irR . Estas tensões e correntes são medidas em coordenadas trifásicas naturais e, por fim, transferidas por meio de unidades de transformação 40-1, 40-2, 40-3 e 40-5 para um sistema de coordenadas bifásico e de estator e rotor fixos. Temos, então, por exemplo a tensão do estator fixo usS em dois componentes usaS e u^s (respectivamente para as restantes tensões e correntes).
Opcionalmente a corrente do estator isS pode ainda ser medida e transferida, por meio de uma unidade de transformação 40-4, para um sistema de coordenadas bifásico e estator fixo para permitir calcular a rotação do rotor ωΓ e do ângulo da posição do rotor cpRS entre rotor e estator.
Em alternativa a este procedimento pode ainda medir-se, por meio de um emissor de posição 41 opcional e um receptor de posição 42 opcional, a rotação do rotor ωΓ e a posição do ângulo do rotor cpRS entre rotor e estator, deixando de ser necessário medir a corrente do estator. A partir da tensão de rede uN e da corrente de rede iN é calculada, numa unidade de cálculo da potência 43, a potência activa real P e a potência reactiva real Q e é fornecida com simbolo negativo aos adicionadores 45-1 e 45-2 para obter, através da subtracção da potência activa 33 nominal Pn0in e potência reactiva nominal Qnom externamente definidas, um desvio à grandeza nominal da potência activa e um desvio à grandeza nominal da potência reactiva nas saidas dos adicionadores 45-1 e 45-2. Na fig. 2 está representada a regulação a partir das potências da rede como grandezas reais. Porém, é muito fácil, em vez das potências da rede, passar para potências do estator como grandezas reais.
As grandezas usS e irR medidas e depois transformadas num sistema de coordenadas bifásico e, opcionalmente, as grandezas de medição ωΓ e Çrs ou a grandeza isS medida e depois transformada num sistema de coordenadas bifásico, que é necessária ao cálculo de ωΓ e cpRS, são fornecidas à unidade de processamento de grandezas de medição 44, que produz, pelo menos parcialmente dependente destas grandezas, as grandezas de saida do ângulo da posição do rotor cpRS, o fluxo do estator fixo Ψ35 e as grandezas de reacção νχ-si e V2-S2 segundo as equações (25) e (26). Na descrição da fig. 3 vamos esclarecer melhor o cálculo destas grandezas de emissão. A regulação em conformidade com a invenção apresentada na fig. 2 utiliza os dois reguladores proporcionais integrais 46-1 e 46-2 para obter grandezas de saida do regulador sl e S2 em função dos desvios à grandeza nominal da potência activa e da potência reactiva. As grandezas de saida do regulador si e S2 são separadamente fornecidas aos adicionadores 45-3 e 45-4, onde são submetidas à adição com as grandezas de reacção vi-si e v2-S2, que são determinadas pela unidade de processamento das grandezas de medição 44 a partir do estado de sistema momentâneo da máquina assíncrona 1. Na saida dos adicionadores 45-3 e 45-4 34 encontram-se então as grandezas vi e V2, que são fornecidas à unidade 47 para calcular a tensão do rotor. A unidade 47 recebe como grandeza de entrada adicional o fluxo do estator fixo Ψ35 e determina a necessária tensão do rotor de estator fixo urs para obter a definida potência activa Pnom e a definida potência reactiva Qn0m (num sistema de coordenadas bifásico) conforme as seguintes equações:
UraS — (31)
UrfiS ~ yjr,#+vtr*s Ψα (32) A transformação da tensão do rotor do sistema de coordenadas de estator fixo no sistema de coordenadas de rotor fixo é efectuada na unidade de transformação 48, que como grandeza de entrada adicional recebe o ângulo da posição do rotor cpRS da unidade de processamento das grandezas de medição 44, segundo a seguinte prescrição: 35
UraR ~ UraS &RS UrfiS &RS · (33)
UrfiR "“ UraS sin ψκ +
UrfiS COSÇn . (34)
Por fim, a tensão do rotor fixo do sistema de coordenadas bifásico é transformada pela unidade de transformação 40-6 no sistema de coordenadas trifásico e atribuída ao rotor 11 da máquina assíncrona pelo inversor de impulsos do lado da máquina 20 do conversor 2. A regulação em conformidade com a invenção requer apenas os dois reguladores proporcionais integrais 46-1 e 46-2 para regular o desvio ao valor nominal estacionário da potência activa e da potência reactiva com suficiente velocidade. Para isso, os parâmetros dos reguladores proporcionais integrais, principalmente as constantes de tempo dos reguladores proporcionais integrais, estão adaptados às propriedades da máquina assíncrona 1, como é evidenciado nas equações de estado. A fig. 3 representa a concepção esquemática da unidade de processamento das grandezas de medição 44 da fig. 2. A unidade de processamento das grandezas de medição 44 recebe como grandezas de entrada, as grandezas medidas e depois transformadas no respectivo sistema de coordenadas bifásico, como a tensão do estator fixo usS, a corrente do 36 rotor fixo irR θ opcionalmente a corrente do estator fixo isS ou a rotação do rotor ωΓ β o ângulo da posição do rotor cpRS e produz, em função destas grandezas de entrada, o angulo da posição do rotor cpRs, o fluxo do estator fixo ^ss e as grandezas de reacção vi - Si e v2 - S2.
Como já foi mencionado, a rotação do rotor cor e o ângulo da posição do rotor cpRS podem ser opcionalmente medidos através do emissor da posição 41 e do receptor da posição 42 da fig. 2. Em alternativa, pode ainda proceder-se na unidade de processamento das grandezas de medição 44 a uma estimativa da rotação do rotor e do ângulo da posição do rotor a partir da tensão do estator fixo usS, da corrente do estator fixo isS e da corrente do rotor fixo irR, que é depois implementada na unidade 441. Com os interruptores 442 e 443 pode seleccionar-se entre rotação do rotor medida/estimada ωΓ e o ângulo da posição do rotor medida/estimada. Naturalmente que também e por razões de custos se pode prescindir completamente das duas opções medição/estimativa. 0 ângulo da posição do rotor cpRS é então utilizado, por um lado, para transformação da corrente do rotor fixo irR na corrente de estator fixo irS na unidade de transformação 445 e, por outro lado, é emitido pela unidade de processamento das grandezas de medição 44 para a unidade de transformação 48 da fig. 2. A unidade de processamento das grandezas de medição 44 inclui ainda uma unidade 444 para calcular o fluxo do estator fixo Ψ^. 0 cálculo pode ser efectuado por um método qualquer à escolha. Por exemplo, o fluxo do estator pode ser representado da seguinte forma depois da conversão da equação (4): 37
WsaS *saS KaS ' (35) Ψςβ$ ~ KpS^m ” (36)
Condicionado pelos efeitos de saturação da máquina ou pelo tipo do conversor de medição, o método acima apresentado para calcular o fluxo do estator pode criar problemas. Seria, por isso, vantajoso utilizar outro método. Em máquinas de indução com elevada potência pode-se neqliqenciar a resistência do estator Rs. A equação (1) assume assim a seguinte forma: à*.dr = u S * (37)
Da equação (37) resulta no estado estacionário e para os componentes do fluxo do estator a seguinte relação: 38 Ψ* aS (38)
ύλ u 9
saS
(39)
Aqui, ω3 é a frequência angular da tensão do estator. 0 cálculo das grandezas de reacção νχ-si e V2-S2 é, por fim, realizado na unidade 446 em função de uss , ^ss/ irs e ωΓ.
Numa primeira versão privilegiada da presente invenção, o cálculo das grandezas de reacção é efectuado segundo as equações (25) e (26).
Numa segunda versão privilegiada negligencia-se a resistência do estator Rs para originar as equações para as grandezas de reacção. Esta assumpção é, por exemplo, justificada em máquinas de grandes dimensões. Neste caso, pode-se partir do pressuposto que a tensão do estator e o fluxo do estator estão perpendiculares um em relação ao outro. Se continuarmos num estado estacionário e considerarmos o cálculo com grandezas relacionadas, resultam as seguintes relações: 39 «£ξ1, (40)
UsasV^saS ^~Usfi$WsfiS — ^ ' (41)
Usfi$¥saS ~Usas¥spS = ^ ’ (42) A consideração das equações (40), (41) e (42) permite simplificar as equações (22) e (23). Estas podem ser apresentadas da seguinte forma: àPs dr
Ps-y-Wr [(WsasKaS
\ + 9 + ^ ^rfisWsaS UrasV/sps) ^ {,UsfisWsaS UsasV/sfiS )"*" + UsaSlrfiS ~ Usfis‘raS ] (43) 40
(44)
Se, tal como na primeira versão privilegiada, introduzirmos também aqui, para efeitos da linearização das equações de diferencial (43) e (44), reacções, obtém-se mais uma vez as equações de estado segundo as equações (27) até (30), mas com variáveis alteradas
V\ ~UrfisWsaS UrasV/sfiS
e (45) 41 V1 “ UraSΨsaS +ατβ$Ψ5βί ( 1 > = ~ ~~Ζ~. ωτ {ψϋαϊΚβϊ ~WsfisKas) + UsasKaS +UsfishfiS + S2
Lm \ JvLm (46) A única diferença para com a primeira versão privilegiada consiste, portanto, num cálculo diferente das reacções na unidade 446 da unidade de processamento das grandezas de medição 44. A restante estrutura da regulação em conformidade com a invenção segundo a fig. 2 e 3 permanece inalterada. A simplificação das grandezas de reacção das equações (45) e (46) conforme a segunda versão privilegiada da presente invenção permite, comparativamente com a primeira versão privilegiada, calcular a reacção de um modo pouco dispendioso e, consequentemente, executar a regulação de um modo menos complexo e mais rápido. Os desvios ao modelo, devido à aceitação de uma resistência de estator que pode ser negligenciada, são compensados, tal como todas as outras grandezas de interferência do sistema, pela regulação, de modo que na segunda versão privilegiada não se perca qualidade ou estabilidade na regulação.
Numa terceira versão privilegiada parte-se, por fim, de um estado estacionário para originar as reacções. As equações (6) e (7) podem ser simplificadas da seguinte forma: 42 0=- R n L . S k Wsas+Rs L ' (47) Λ _ L . Ο =--~^W50S + Rx—lr0S + Us0S ' Λ (48) Ψ3α3 vez
Primeiro as equações (47) e (48) são multiplicadas por e ΨΞ(3s · As equações dai resultantes são subtraídas uma e somadas uma vez. Assim se obtêm as equações:
R L
UsfisV/saS ~Usas¥sfiS = V^sS + sasKps +V/sfiSÍras) · (49)
R R L “sasVSsaS +*,βίΨ,β5 = --^{WsasKaS +ΨφΚβ5) (50) 43
Da aplicação das equações (49) e (50) nas equações (15) e (16) resultam as seguintes equações de potência da máquina de indução: . Ul wÀ L < . λ ^ Tf ~r~\¥saSlrpS +V/sfiSlraS) ' (51)
Qs =T£ ~Γ~(ψsasKaS *
Ls Ls (52) A diferenciação das das equações (6) até (9) as seguintes equações de equações (51) e (52) e a aplicação permite obter, após simplificação, diferencial:
dT
\(or
saS vraS
+ ΨífiS^rflS
+ {UrfisWsaS UrasV^ifis) {Us0sWsaS UsasWsfis)~^
Wc
UsusKfiS ~U!psKaS~\ (53) 44
σ (54)
Se, tal como na primeira e segunda versão privilegiada, introduzirmos também aqui, para efeitos da linearização das equações de diferencial (53) e (54), reacções, obtém-se mais uma vez as equações de estado segundo as equações (27) até (30), mas com variáveis alteradas e
~ Urfisy^saS UrasV^sfiS
(55) *>2 45 — Uras¥saS + Urfis¥SpS ( 2½ L_ RL 2~Γ^-Ψ* + \LsWo R,Lm .2 T m j* Lc {Usas¥saS + UsfisV^ipS ) + UsaS*raS + UspsKpS + S2 ) (56) A única diferença para com a primeira e segunda versão privilegiada consiste mais uma vez num cálculo diferente das reacções na unidade 446 da unidade de processamento das grandezas de medição 44. A restante estrutura da regulação em conformidade com a invenção segundo a fig. 2 e 3 permanece inalterada. A simplificação das grandezas de reacção das equações (55) e (56) conforme a terceira versão privilegiada da presente invenção permite, comparativamente com a primeira versão privilegiada, calcular a reacção de um modo pouco dispendioso e, consequentemente, executar a regulação de um modo menos complexo e mais rápido. Os desvios ao modelo, devido à aceitação de um estado de sistema estacionário, são compensados, tal como todas as outras grandezas de interferência do sistema, pela regulação, de modo que também na terceira versão privilegiada não se perca qualidade ou estabilidade na regulação. A presente invenção foi descrita por meio de versões privilegiadas. A utilização de diferentes simplificações para originar as equações de estado permite obter várias variantes da regulação em conformidade com a invenção. Este tipo de regulação distingue-se pela elevada precisão e dinâmica. 0 controlo do conversor não requer qualquer 46 transformação das grandezas de medição para um determinado sistema de referência. 0 sistema de coordenadas pode então ser livremente escolhido. Devido à simplicidade pode optar-se, por exemplo, por um sistema de coordenadas de estator fixo. 47
DOCUMENTOS APRESENTADOS NA DESCRIÇÃO
Esta lista dos documentos apresentados pelo requerente foi exclusivamente recolhida para informação do leitor e não faz parte do documento europeu da patente. Foi elaborada com o máximo cuidado; o IEP não assume, porém, qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.
Documentos de patente apresentados na descrição
• EP 0043973 AI
Literatura não de patente exposta na descrição • KRZEMINSKI. Sensorless Multiscalar Control of Double Fed Machine for Wind Power Generators, 2002
Lisboa, 13/03/2009
Claims (15)
1 REIVINDICAÇÕES 1. Um processo para regular a potência activa e reactiva produzida ou consumida por uma máquina de indução (1) num sistema de coordenadas de enrolamento fixo, em que em função de um desvio à grandeza nominal da potência activa, é obtida uma primeira grandeza de saida do regulador através de um primeiro regulador (46-1) e, em função de um desvio à grandeza nominal da potência reactiva é obtida, através de um segundo regulador (46-2), uma segunda grandeza de saida do regulador, sendo aplicadas à primeira e à segunda grandezas de saida do regulador respectivas grandezas de reacção, que são funções, pelo menos, de uma grandeza de sistema (temporalmente alterável) da máquina de indução, caracterizado pelo facto de, como variáveis de estado que estão na base da regulação, serem directamente seleccionadas a potência activa e reactiva, em que pelo menos a partir da primeira e segunda grandeza de saida do regulador sujeitas às grandezas de reacção é determinada, sem circuitos de regulação adicionais sub-alojados, uma tensão ou corrente da máquina de indução como grandeza reguladora, sendo as grandezas de reacção seleccionadas de modo que a potência activa e reactiva sejam, pelo menos parcialmente, desacopladas. 2. 0 processo segundo a reivindicação 1, caracterizado pelo facto dos reguladores (46-1, 46-2) serem reguladores lineares. 2 3. 0 processo segundo uma das reivindicações 1-2, caracterizado pelo facto dos reguladores (46-1, 46-2) serem reguladores proporcionais integrais. 4. 0 processo segundo uma das reivindicações 1-3, caracterizado pelo facto de ser definida uma tensão do rotor da máquina de indução (1) como grandeza reguladora. 5. 0 processo segundo uma das reivindicações 1-3, caracterizado pelo facto de ser definida uma tensão do estator da máquina de indução (1) como grandeza reguladora. 6. 0 processo segundo caracterizado pelo facto de excitação da máquina de reguladora. 7. 0 processo segundo caracterizado pelo facto de reacção ser negligenciada a i máquina de indução (1). uma das reivindicações 1-3, ser definida uma corrente de indução (1) como grandeza uma das reivindicações 1-6, no cálculo das grandezas de ssistência ómica do estator da 8. 0 processo segundo uma das reivindicações 1-6, caracterizado pelo facto de se partir de um estado estacionário para o cálculo das grandezas de reacção. 9. 0 processo segundo uma das reivindicações 1-8, caracterizado pelo facto da potência activa e reactiva do estator (10) da máquina de indução (1) ser regulada. 3
10. O processo segundo uma das reivindicações 1-8, caracterizado pelo facto da potência activa e reactiva da rede (3) , à qual a máquina de indução (1) está ligada, ser regulada.
11. O processo segundo uma das reivindicações 1-10, caracterizado pelo facto da primeira grandeza de saida do regulador ser sujeita a uma grandeza de reacção, que corresponde ao produto vectorial da tensão do rotor e fluxo do estator da máquina de indução, e pelo facto da segunda grandeza de saída do regulador ser sujeita a uma grandeza de reacção, que corresponde ao produto escalar da tensão do rotor e fluxo do estator.
12. O processo segundo uma das reivindicações 1-11, caracterizado pelo facto das grandezas de reacção serem funções, pelo menos, da tensão do estator, do fluxo do estator, da corrente do rotor e da rotação do rotor.
13. O processo segundo uma das reivindicações 1-12, caracterizado pelo facto da tensão do rotor da máquina de indução ser definida como grandeza reguladora, sem mais nenhuma regulação, a partir da primeira e segunda grandezas de saída do regulador sujeitas às grandezas de reacção e do fluxo do estator.
14. O processo segundo uma das reivindicações 1-13, caracterizado pelo facto de ser medida, pelo menos, a tensão do estator e a corrente do rotor da máquina de indução (1). 4 15. 0 processo segundo uma das reivindicações 1-14, caracterizado pelo facto da corrente do estator da máquina de indução (1) ser medida. 16. 0 processo segundo uma das reivindicações 1-15, caracterizado pelo facto da rotação do rotor da máquina de indução (1) ser medida ou ser determinada a partir da tensão do estator, da corrente do estator e da corrente do rotor da máquina de indução. 17. 0 processo segundo uma das reivindicações 1-16, caracterizado pelo facto do ângulo da posição do rotor da máquina de indução (1) ser medido ou ser determinado a partir da tensão do estator, da corrente do estator e da corrente do rotor da máquina de indução. 18. 0 processo segundo uma das reivindicações 1-17, caracterizado pelo facto do fluxo do estator da máquina de indução (1) ser calculado a partir da tensão do estator e da frequência angular da tensão do estator da máquina de indução. 19. 0 processo segundo uma das reivindicações 14-18, caracterizado pelo facto de tensões e correntes da máquina de indução (1) serem respectivamente medidas e depois transformadas num sistema de coordenadas bifásico, e pelo facto da grandeza reguladora ser determinada num sistema de coordenadas bifásico e depois ser transformada num sistema de coordenadas trifásico. 5
20. O processo segundo uma das reivindicações 1-19, caracterizado pelo facto da máquina de indução (1) ser uma máquina assíncrona de dupla alimentação, cujo estator (10) está directamente ligado a uma rede (3), e cujo rotor (11) está ligado a um conversor (2).
21. Um programa informático com comandos, cuja execução faz com que um processador execute o processo conforme uma das reivindicações 1-20.
22. Um produto de programa informático, que contém um programa informático com comandos, cuja execução faz com que um processador execute o processo conforme uma das reivindicações 1-20.
23. Um dispositivo para regular a potência activa e reactiva produzida ou consumida por uma máquina de indução (1) num sistema de coordenadas de enrolamento fixo, com um primeiro regulador (46-1) para obter uma primeira grandeza de saída do regulador em desvios à grandeza nominal da potência activa, com um segundo regulador (46-2) para obter uma segunda grandeza de saída o regulador em desvios à grandeza nominal da potência reactiva, e com meios (44, 45-3, 45-4) para submeter a primeira e a segunda grandeza de saída do regulador a respectivas grandezas de reacção, que como funções resultam, pelo menos, de uma grandeza de sistema temporalmente alterável da máquina de indução, caracterizado pelo facto do dispositivo englobar meios (47) para determinar uma tensão ou uma corrente da máquina de indução como grandeza de regulação a partir, pelo menos, da primeira e segunda grandeza de saída do regulador sujeitas 6 às grandezas de reacção, em que como variáveis de estado que estão na base da regulação, são directamente seleccionadas a potência activa e a reactiva, meios esses (47) que não apresentam mais nenhum circuito de regulação sub-alojado e através dos quais a potência activa e reactiva podem ser, pelo menos, parcialmente desacopladas para submeter a primeira e a segunda grandeza de saida do regulador a grandezas de reacção pela selecção das grandezas de reacção. 24. 0 dispositivo segundo a reivindicação 23, caracterizado pelo facto dos reguladores (46-1, 46-2) serem reguladores lineares. 25. 0 dispositivo segundo a reivindicação 23-24, caracterizado pelo facto dos reguladores (46-1, 46-2) serem reguladores proporcionais integrais. 26. 0 dispositivo segundo uma das reivindicações 23-25, caracterizado pelo facto do meio (47) definir uma tensão de rotor como grandeza reguladora para determinar uma tensão ou uma corrente da máquina de indução (1). 27. 0 dispositivo segundo uma das reivindicações 23-25, caracterizado pelo facto do meio (47) definir uma tensão de estator como grandeza reguladora para determinar uma tensão ou uma corrente da máquina de indução (1). 28. 0 dispositivo segundo uma das reivindicações 23-25, caracterizado pelo facto do meio (47) definir uma corrente de excitação como grandeza reguladora para 7 determinar uma tensão ou uma corrente da máquina de indução (D . 29. 0 dispositivo segundo uma das reivindicações 23-28, caracterizado pelo facto da potência activa e reactiva do estator (10) da máquina de indução (1) serem reguladas. 30. 0 dispositivo segundo uma das reivindicações 23-28, caracterizado pelo facto da potência activa e reactiva da rede (3), à qual a máquina de indução (1) está ligada, ser regulada.
31. O dispositivo segundo uma das reivindicações 23- 30, caracterizado pelo facto da grandeza de saida do primeiro regulador (46-1) ser sujeita a uma grandeza de reacção, que corresponde ao produto vectorial da tensão do rotor e fluxo do estator da máquina de indução (1), e pelo facto da grandeza de saida do segundo regulador (46-2) ser sujeita a uma grandeza de reacção, que corresponde ao produto escalar da tensão do rotor e fluxo do estator.
32. O dispositivo segundo uma das reivindicações 23- 31, caracterizado pelo facto das grandezas de reacção serem funções, pelo menos, da tensão do estator, do fluxo do estator, da corrente do rotor e da rotação do rotor.
33. O dispositivo segundo uma das reivindicações 23- 32, caracterizado pelo facto da tensão do rotor da máquina de indução (1) ser definida como grandeza reguladora (sem mais nenhuma regulação) a partir da primeira e segunda 8 grandeza de saída do regulador sujeitas às grandezas de reacção e do fluxo do estator. 34. 0 dispositivo segundo uma das reivindicações 23- 33, caracterizado pelo facto do dispositivo englobar meios para medir a tensão do estator e da corrente do rotor da máquina de indução (1). 35. 0 dispositivo segundo uma das reivindicações 23- 34, caracterizado pelo facto do dispositivo englobar meios para medir a corrente do estator. 36. 0 dispositivo segundo uma das reivindicações 23- 35, caracterizado pelo facto do dispositivo englobar meios para medir (41, 42) a rotação do rotor da máquina de indução (1) ou para sua determinação (441) a partir da tensão do estator, da corrente do estator e da corrente do rotor da máquina de indução. 37. 0 dispositivo segundo uma das reivindicações 23- 36, caracterizado pelo facto do dispositivo englobar meios para medir (41, 42) o ângulo da posição do rotor da máquina de indução (1) ou para sua determinação (441) a partir da tensão do estator, da corrente do estator e da corrente do rotor da máquina de indução. 38. 0 dispositivo segundo uma das reivindicações 34- 37, caracterizado pelo facto do dispositivo englobar meios para a medição das tensões e correntes da máquina de indução (1) e sua transformação (40-1, 40-2, 40-3, 40-4, 40-5) num sistema de coordenadas bifásico, e pelo facto do 9 dispositivo englobar meios (40-6) para a transformação da grandeza reguladora determinada num sistema de coordenadas bifásico para um sistema de coordenadas trifásico.
39. O dispositivo segundo uma das reivindicações 23-38, caracterizado pelo facto da máquina de indução (1) ser uma máquina assíncrona de dupla alimentação, cujo estator (10) está directamente ligado a uma rede (3), e cujo rotor (11) está ligado a um conversor (2).
40. Uma máquina de indução (1) com um dispositivo para regular a potência activa e reactiva produzida ou consumida pela máquina de indução num sistema de coordenadas de enrolamento fixo segundo uma das reivindicações 23-39. Lisboa, 13/03/2009
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