DISPOSITIVO DE CONTROL Y/O REGULACION DE UN CONVERTIDOR TRIFASICO PARA EL FUNCIONAMIENTO DE UNA MAQUINA ASINCRONA.

Dispositivo de control y/o regulación para el funcionamiento de una máquina asíncrona (K) que es alimentada por un convertidor trifásico (G),

caracterizado por una estructura de control y/o regulación, indicada de forma simplificada como estructura, (1, 2, 3, 4, 5, C. F) que

- presenta un regulador de frecuencia de resbalamiento (3) con una salida en la que el regulador de frecuencia de resbalamiento (3) genera un valor nominal (WS_ref, WFs) de una frecuencia del estator de la máquina asíncrona,

- presenta un regulador de flujo del estator (R) y un primer generador de modelo de impulsos (P) para la generación de señales de impulsos basadas en valores medios, en el que

a) la estructura puede ser utilizada de forma tal que el primer generador de modelo de impulsos genera las señales de impulsos basadas en valores medios, de forma tal que las maniobras de conmutación del convertidor trifásico (G) con la frecuencia básica de la rotación del vector espacial de flujo del estator se muestran sincronizadas, y por lo tanto facilitan modelos síncronos de impulsos y,

b) la estructura es utilizable de forma tal que el primer generador de modelo de impulsos genera las señales de impulsos basados en valores medios, de manera tal que las maniobras del generador trifásico (G) son asíncronas con respecto a la frecuencia básica de la rotación del vector espacial del flujo del estator, y por lo tanto, facilitan modelos de impulsos asíncronos, de manera que una salida del regulador de flujo del estator (R) está conectada con una entrada del generador de modelo de impulsos (P), de manera que el generador de modelo de impulsos (P) dependiendo de una magnitud de regulación, que es generada por el regulador de flujo del estator (R), cuyo regulador de flujo del estator (R) está configurado con la finalidad de generar la magnitud de regulación según un valor nominal de flujo del estator de la máquina asíncrona (K) y según un valor nominal del par de giro de la máquina asíncrona (K), presentado el regulador de flujo del estator (R) un comportamiento de regulación "Dead-Beat" y la salida del regulador de frecuencia de resbalamiento (3) está conectada a una entrada del regulador de flujo del estator (R), de manera que el valor nominal (WS_ref, WFs) de la frecuencia del estator, interviene para la generación de la magnitud de regulación,

- un segundo generador de modelo de impulsos (M) que está conectado a una salida de un controlador de flujo del estator (F) con la finalidad de generar en el funcionamiento de la máquina asíncrona por medio de modelos de impulsos síncronos, basados en valores instantáneos, guiados por trayectorias de flujo del estator, los modelos de impulsos directamente según un valor nominal de flujo del estator y el valor real respectivo, que es determinado por el controlador de flujo del estator (F), estando conectado el segundo generador de modelo de impulsos (M) en paralelo con respecto al primer generador de modelo de impulsos (P), estando conectada la salida del regulador de frecuencia de resbalamiento (3) asimismo a una entrada del segundo generador de modelo de impulsos (M), de manera que independientemente de que el dispositivo para el funcionamiento de la máquina asíncrona (K) genere el modelo de impulsos basado en los valores medios, se utiliza el mismo regulador de frecuencia de resbalamiento (3)

Dispositivo de control y/o regulación de un convertidor trifásico para el funcionamiento de una máquina asíncrona.

La presente invención se refiere a un dispositivo de control y/o regulación para un convertidor de corriente trifásica que alimenta una máquina asíncrona. La invención de refiere además a un correspondiente procedimiento de control y/o regulación. En especial, la invención se refiere específicamente a la introducción controlada y/o regulada de un valor teórico del par y un valor teórico del flujo del estator para una máquina asíncrona de corriente rotativa alimentada mediante la corriente de un convertor. La invención es utilizable en especial para aplicaciones de elevada potencia, tales como, por ejemplo, convertidores de corriente para tracción para la alimentación de motores de accionamiento de vehículos ferroviarios.

Es característico de dichos sistemas de accionamiento la utilización de máquinas asíncronas de corriente alterna conjuntamente con convertidores pulsantes trifásicos y tensión de circuito intermedio incorporada. Estos sistemas de impulsión, a causa de las elevadas densidades de potencia y rendimientos requeridos, son controlados con una frecuencia de conmutación relativamente baja. Por ejemplo, la frecuencia de conmutación se encuentra en la zona de ajuste de la tensión solamente en un rango de 300 Hz a 800 Hz para locomotoras de larga distancia, para vagones con tracción y trenes de cercanías de tipo pesado. Para tráfico de cercanías ligero se encuentra de manera típica en un rango de 800 Hz a 3 kHz. La tensión del circuito intermedio que se puede conseguir debe ser utilizada de manera óptima, es decir, la estructura de control y/o de regulación debe posibilitar el accionamiento en la zona de debilitamiento de campo sin las reservas de regulación de tensión técnicamente requeridas. Además, es necesario, para evitar efectos reactivos no permisibles en la red, generar un espectro de los armónicos superiores definido de forma estacionaria y controlable. Esto requiere, conjuntamente con la frecuencia de conmutación relativamente baja y una tensión de salida máxima del convertidor, la utilización de procedimientos pulsantes síncronos.

Las exigencias sobre la dinámica de regulación de accionamientos de tracción alimentados mediante corriente alterna son comparativamente elevadas. De forma habitual, se utilizan, para estas exigencias técnicas de regulación en un sistema de tracción en las zonas de potencia inferior y media, un convertidor con una frecuencia de conmutación relativamente alta (5 kHz hasta 20 kHz), conjuntamente con un procedimiento de regulación clásico orientado al campo.

Para utilizaciones de tracción, en especial para el accionamiento directo con catenarias de corriente continua, sin ajuste de entrada, es importante un comportamiento satisfactorio de las alternaciones de la regulación con respecto a variaciones bruscas de la tensión de la catenaria. El control de los procesos de deslizamiento y de aceleración, así como la amortiguación de las oscilaciones de accionamiento de tipo mecánico, y el accionamiento estable en un filtro de entrada LC propenso a oscilaciones, requieren un proceso de guiado satisfactorio y con respecto a accionamientos estacionarios de igual clase de potencia, altamente dinámicos de la incorporación indirecta de par motriz.

Además, el procedimiento de regulación y/o de control, debe garantizar para la protección del convertidor de corriente y/o del motor, una carga de corriente máxima previsible y evitar la inversión de las máquinas asíncronas de corriente alterna conectadas, o bien de máquinas individuales, dentro de un grupo de accionamiento. Esto es válido también y de modo especial en perturbaciones y variaciones de conducción importantes por las justificaciones antes explicadas.

Se conocen procedimientos que se muestran apropiados en especial para la utilización en las condiciones marginales indicadas. El procedimiento conocido consiste en general en la división de los procedimientos correspondientes de control y/o regulación en las funciones esenciales de evaluación de los valores de medición, un modelo de flujo, una estructura de regulación y un equipo de control (para la generación de impulsos), de manera que en especial la estructura de regulación y el equipo de control difieren con respecto al procedimiento individual indicado. Habitualmente, las funciones indicadas se realizan de manera parcial o completa dentro de un sistema de proceso de señales y parcialmente con apoyo de FPGA directo (Field Programmable Gate Array).

De modo global, para las regulaciones de accionamiento indicadas de evalúan los siguientes valores de magnitud analógicos:

• un mínimo de dos de las tres corrientes de fase alterna del convertidor (corriente de la máquina o suma de las corrientes individuales de la máquina en caso de accionamientos de grupo con máquinas conectadas en paralelo) y

• la tensión de circuito intermedio del ondulador de impulsos.

• en una variante posible, se pueden medir adicionalmente, asimismo, dos tensiones de conductor de la salida del ondulador.

• Opcionalmente, se pueden valorar las temperaturas individuales del motor y se pueden utilizar, entre otros, para la determinación del parámetro de resistencia dependiente de la temperatura de las máquinas.

• Como magnitud de medición adicional, se puede evaluar opcionalmente el régimen de giro del motor.

• En caso de que un ondulador alimente dos o más motores de tracción conectados en paralelo, preferentemente se evaluaran los regímenes habituales de los motores y se utilizará para la regulación, por ejemplo, el valor medio aritmético.

La base de los procedimientos conocidos de regulación orientados al campo es el conocimiento del valor y ángulo del flujo del rotor en caso de procedimientos orientados al flujo del rotor y/o al flujo del estator para procedimientos basados en el flujo del estator. Dado que, no obstante, los encadenamientos de flujo, así como el par de giro de la máquina, no son medibles de manera directa, se utilizan, de manera general, modelos de cálculo (modelos de flujo) que simulan la estructura interna de la máquina asíncrona.

Para la determinación del flujo a partir de los valores medidos, o bien de los cálculos adecuados de simulación, de los valores nominales de la tensión en bornes de la máquina, corriente por fase de la máquina y régimen de giro, es adecuado de modo especial un modelo de flujo. Está constituido de manera habitual por dos modelos parciales conocidos de la máquina asíncrona, a saber, el llamado modelo de tensión y el llamado modelo de corriente. En regímenes de giro reducidos, predomina la influencia del modelo de corriente, mientras que para regímenes de giro más elevados predomina, por el contrario, la influencia del modelo de tensión. La combinación de ambos modelos parciales combina sus ventajas y puede ser comprendido como modelo de tensión basado en un modelo de corriente.

En el procedimiento descrito en la obra de Stanke, G., Horstmann, D.: "Die stromrichtemahe Antriebsregelung des Steuergerätes für Bahnautomatisierungssysteme SIBAS32", eb-Elektrische Bahnen, Tomo 90 (1992), Cuaderno 11, Páginas 344-350, se trata de un procedimiento de regulación basado en valores medios, orientado al flujo del rotor, con impulsos asíncronos y síncronos para el control del convertidor. Además de las ventajas, en especial los impulsos síncronos y la regulación de la corriente mediante dos componentes indirectos (ver anterior) este procedimiento presenta, por el contrario, otros inconvenientes con respecto a la dinámica de regulación que se puede alcanzar y en el comportamiento de perturbaciones, en especial en la variación de la tensión del circuito intermedio.

En el procedimiento DSR descrito en la obra de Depenbrock, M.: "Direkte Selbstregelung (DSR) für hochdynamische Drehfeldantriebe mit Stromrichterspeisung", etzArchiv, Tomo 7 (1985) Cuaderno 7, Páginas 211-218 o bien en la publicación de Jänecke, M., Kremer, R., Steuerwald, G.: "Direkte Selbstregelung, ein neuartiges Regelverfahren für Traktionsantriebe im Ersteinsatz bei dieselelektrischen Lokomotiven", eb-Elektrische Bahnen, Tomo 89 (1991), Cuaderno 3, Páginas 79-87, se trata de un procedimiento especial basado en valores instantáneos, apropiados para accionamientos de tracción, el cual muestra en especial un comportamiento dinámico óptimo, no obstante, no muestra un comportamiento estacionario reproducible. Además, el DSR no permite relaciones muy pequeñas de la frecuencia...

1. Dispositivo de control y/o regulación para el funcionamiento de una máquina asíncrona (K) que es alimentada por un convertidor trifásico (G), caracterizado por una estructura de control y/o regulación, indicada de forma simplificada como estructura, (1, 2, 3, 4, 5, C. F) que

- presenta un regulador de frecuencia de resbalamiento (3) con una salida en la que el regulador de frecuencia de resbalamiento (3) genera un valor nominal (W_{S_ref}, W_Fs) de una frecuencia del estator de la máquina asíncrona,

- presenta un regulador de flujo del estator (R) y un primer generador de modelo de impulsos (P) para la generación de señales de impulsos basadas en valores medios, en el que

a) la estructura puede ser utilizada de forma tal que el primer generador de modelo de impulsos genera las señales de impulsos basadas en valores medios, de forma tal que las maniobras de conmutación del convertidor trifásico (G) con la frecuencia básica de la rotación del vector espacial de flujo del estator se muestran sincronizadas, y por lo tanto facilitan modelos síncronos de impulsos y,

b) la estructura es utilizable de forma tal que el primer generador de modelo de impulsos genera las señales de impulsos basados en valores medios, de manera tal que las maniobras del generador trifásico (G) son asíncronas con respecto a la frecuencia básica de la rotación del vector espacial del flujo del estator, y por lo tanto, facilitan modelos de impulsos asíncronos, de manera que una salida del regulador de flujo del estator (R) está conectada con una entrada del generador de modelo de impulsos (P), de manera que el generador de modelo de impulsos (P) dependiendo de una magnitud de regulación, que es generada por el regulador de flujo del estator (R), cuyo regulador de flujo del estator (R) está configurado con la finalidad de generar la magnitud de regulación según un valor nominal de flujo del estator de la máquina asíncrona (K) y según un valor nominal del par de giro de la máquina asíncrona (K), presentado el regulador de flujo del estator (R) un comportamiento de regulación "Dead-Beat" y la salida del regulador de frecuencia de resbalamiento (3) está conectada a una entrada del regulador de flujo del estator (R), de manera que el valor nominal (W_{S_ref}, W_Fs) de la frecuencia del estator, interviene para la generación de la magnitud de regulación,

- un segundo generador de modelo de impulsos (M) que está conectado a una salida de un controlador de flujo del estator (F) con la finalidad de generar en el funcionamiento de la máquina asíncrona por medio de modelos de impulsos síncronos, basados en valores instantáneos, guiados por trayectorias de flujo del estator, los modelos de impulsos directamente según un valor nominal de flujo del estator y el valor real respectivo, que es determinado por el controlador de flujo del estator (F), estando conectado el segundo generador de modelo de impulsos (M) en paralelo con respecto al primer generador de modelo de impulsos (P), estando conectada la salida del regulador de frecuencia de resbalamiento (3) asimismo a una entrada del segundo generador de modelo de impulsos (M), de manera que independientemente de que el dispositivo para el funcionamiento de la máquina asíncrona (K) genere el modelo de impulsos basado en los valores medios, se utiliza el mismo regulador de frecuencia de resbalamiento (3).

2. Dispositivo, según la reivindicación anterior, en el que el regulador de flujo del estator (R) emite una regulación de la máquina asíncrona (K) como magnitud de regulación para el control del convertidor (G) por medio de las señales de impulsos basadas en valores medios, estando definida la regulación por una relación entre una tensión de salida media del convertidor (G) y una tensión de entrada o la máxima tensión de salida posible del convertidor (G), o emitiendo una tensión nominal de la máquina asíncrona (K) como magnitud de regulación.

3. Dispositivo, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la magnitud de regulación generada por el regulador de flujo del estator (R) es utilizada en el funcionamiento de la máquina asíncrona (K) en el sector de regulación de la tensión así como en el sector de debilitamiento de campo.

4. Dispositivo, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que una regulación formada por el controlador de flujo de estator (F) y el segundo generador de modelo de impulsos (M) muestra un comportamiento de regulación de tipo "Dead-Beat".

5. Dispositivo, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el regulador de frecuencia de resbalamiento (3) conjuntamente con el regulador de flujo de estator (R) cuando tiene lugar el control del convertidor (G) por medio de las señales de impulso basadas en valores medios (primer tipo de funcionamiento) cumple la función de un regulador de sincronización en el sentido de un bucle de fase bloqueada (PLL) o "Phase Locked Loop" que sincroniza el circuito de tensiones nulas del convertidor (G) con la frecuencia de base de la rotación del vector espacial de flujo del estator.

6. Dispositivo, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la estructura (1, 2, 3, 4, 5, C, F) no presenta en el funcionamiento del convertidor (G) con impulsos síncronos, independientemente de si se han generado señales de impulso basados en valores medios o valores instantáneos además del regulador de flujo del estator (R) y el regulador de frecuencia de resbalamiento (3), ningún regulador de sincronización que sincronice el circuito de tensiones nulas del convertidor (G) con la frecuencia de base de la rotación del vector espacial del flujo de estator.

7. Dispositivo, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la estructura (1, 2, 3, 4, 5, C. F) está configurada de manera que la magnitud de regulación a emitir por ésta sea calculada para el control del convertidor (G) por medio de las señales de impulso basadas en valores medios en un primer tipo de funcionamiento en cada ciclo de trabajo o periodo de impulso en base a un valor prescrito para el ángulo del vector espacial de flujo del estator (R), de manera que la siguiente tensión nula a conmutar sea conmutada para el ángulo predeterminado.

8. Procedimiento de control y/o regulación para el funcionamiento de una máquina asíncrona (K) alimentada por un convertidor trifásico (G), caracterizado porque

- se utiliza un regulador de frecuencia de resbalamiento (3) el cual emite un valor nominal (WS_ref, WFs) de una frecuencia de estator de la máquina asíncrona,

- para el control y/o regulación en el control del convertidor (G) por medio de señales de impulso basadas en valores medios, se utiliza un regulador de flujo de estator (R) con comportamiento "Dead-Beat", emitiendo el regulador de flujo del estator (R), según un valor nominal del flujo del estator de la máquina asíncrona (K) y según un valor nominal del par de la máquina asíncrona (K) una magnitud de regulación, cuya utilización por un primer generador de modelo de impulsos (P) montado más abajo genera las señales de impulso basadas en valores medios, siendo utilizado el valor nominal (WS_ref, WFs) de la frecuencia del estator para la generación de la magnitud de regulación, pudiéndose generar las señales de impulso basadas en valores medios de manera tal que acciones de conmutación del convertidor trifásico aparecen sincronizadas con la frecuencia de base de la rotación del vector espacial de flujo del estator y producen de este modo formas de impulsos síncronos y las señales de impulso basadas en valores medios pueden ser generadas de manera tal que acciones de conmutación del convertidor trifásico son asíncronas con respecto a la frecuencia de base de la rotación del vector espacial de flujo de estator y producen de este modo modelos de impulso asíncronos,

- para el control y/o regulación en el control del convertidor (G) por medio de modelos de impulsos síncronos, basados en valores instantáneos, se utiliza un segundo generador de modelo de impulsos (M), el cual recibe el valor nominal (WS_ref, WFs) de la frecuencia de estator del regulador de frecuencia de resbalamiento (3), estando montado el segundo generador de modelo de impulsos (M) en paralelo con respecto al primer generador de modelo de impulsos (P).

9. Procedimiento, según la reivindicación anterior, en el que el regulador de flujo de estator (R) emite una regulación de la máquina asíncrona (K) como magnitud de regulación para el control del convertidor (G) por medio de señales de impulso basadas en valores medios, estando definida la regulación por una relación entre una tensión de salida media del convertidor (G) y una tensión de entrada, o la tensión de salida máxima posible del convertidor (G), o emite una tensión nominal de la máquina asíncrona (K) como magnitud de regulación.

10. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que una magnitud regulada por el regulador de flujo de estator (R) es utilizada como magnitud de regulación en el funcionamiento de la máquina asíncrona (K) en el sector de regulación de la tensión así como en el sector de debilitamiento de campo.

11. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el regulador de frecuencia de resbalamiento (3), conjuntamente con el regulador de flujo del estator (R) en el control del convertidor (G) por medio de las señales de impulso basadas en los valores medios (primer tipo de funcionamiento) cumple la función de un regulador de sincronización en el sentido de un PLL o Bucle de Fase Bloqueada ("Face Locked Loop") que sincroniza un circuito de tensiones nulas del convertidor (G) con la frecuencia de base de la rotación del vector espacial de flujo del estator.

12. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que en el funcionamiento del convertidor (G) con impulsos síncronos independientemente de si se han generado señales de impulso basadas sobre valores medios o valores instantáneos, aparte del regulador de flujo de estator (R) y el regulador de frecuencia de resbalamiento (3) no se utiliza ningún otro regulador de sincronización, que sincronice el circuito de tensiones nulas del convertidor (G) con la frecuencia de base de la rotación del vector espacial de flujo del estator.

13. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que un valor del ángulo del vector espacial de flujo del estator es transmitido como magnitud de entrada al regulador de flujo del estator (R) y en el que el regulador de flujo del estator (R) calcula una magnitud de regulación a emitir por éste de manera que la tensión siguiente nula a conmutar sea conmutada en ese ángulo.

14. Programa informático con un código de programación para la puesta en práctica del procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, cuando el programa de ordenador se desarrolla en un ordenador.

15. Soporte de datos en el que se ha almacenado una estructura de datos que está constituida de forma tal que origine la realización del procedimiento, según una de las reivindicaciones anteriores, por un ordenador cuando el ordenador tiene acceso a la estructura de datos.