Procedimiento para estimar la velocidad de giro del rotor de una máquina de inducción trifásica partiendo de las medidas de corriente y tensión de dos de las fases de alimentación y de los parámetros de la máquina (resistencias,

inductancias, etc). Con esta información se calculan las componentes x,y de los fasores espaciales tensión del estator, y corriente de magnetización del estator; referidos al sistema de referencia fijo. Con estas componentes se obtienen dos ecuaciones similares para el cálculo de la velocidad del rotor (velocidadA y velocidadB). Para resolver el problema derivado del cálculo de la ecuación de la velocidad cuando el denominador se hace cero; se aprovecha la propiedad de que los denominadores de las expresiones velocidadA y velocidadB se anulan con una diferencia de fase de 90º. El cálculo de la velocidad se realiza con aquella ecuación cuyo denominador se encuentre más alejado de cero en cada instante

Procedimiento para estimar la velocidad de giro del rotor de una máquina de inducción trifásica.

Sector técnico

La invención se encuadra dentro del sector técnico de control de accionamientos eléctricos, más concretamente en el de control de máquinas eléctricas trifásicas de inducción sin sensor de medida directa de velocidad (sensorless). La aplicación industrial recomendada es la del cálculo de la velocidad del rotor en una máquina de inducción trifásica perteneciente a cualquier tipo de accionamiento controlado por microprocesador. Especialmente en aquellas aplicaciones en las que sea admisible un error de estimación de velocidad de alrededor del 1% y preferiblemente en aplicaciones donde se empleen velocidades medias y altas.

Antecedentes de la invención

En los sistemas de regulación de velocidad de motores se emplea dentro del lazo de control un sensor físico para la medida directa de la misma. Estos sensores presentan varios inconvenientes como son el coste, la necesidad de mantenimiento y la poca fiabilidad en ambientes industriales difíciles lo que hace que muchos fabricantes consideren la posibilidad de su sustitución por otro sistema de medida ya que siempre es necesario conocer el valor de la velocidad al ser ésta una de las principales variables de control. En ocasiones, además no existe un espacio físico donde colocar el sensor (por ejemplo en bombas sumergidas).

En los últimos años se han propuesto numerosas estrategias para la estimación de posición y velocidad en máquinas eléctricas. Incluso algunas de estas estrategias han sido implementadas en productos comerciales que están siendo usados en la industria, en aplicaciones en donde no es necesaria la operación continua a velocidades cercanas a la velocidad cero.

En Holtz, J. "Methods for Speed Sensorless Control of AC Drives" Sensorless Control of AC Motors. IEEE Press Book, 1996, Holtz, J. "Sensorless Speed and Position Control of Induction Motors" Tutorial IEEE Ind. Elect. IECON, 2001. Denver/Co, Nov. 2001, y en Vas, P. "Sensorless Vector and Direct Torque Control" Oxford University Press, 1998, se hace un resumen compendio de los diferentes métodos que se utilizan para la estimación de la velocidad y otros parámetros en un motor de inducción. Estos métodos resultan complejos, de difícil aplicación práctica o, en los casos en los que son sencillos presenta importantes limitaciones en su aplicación.

Entre las estrategias más extendidas podemos citar los métodos basados en el modelo fundamental, que estiman la posición o la velocidad a partir de las ecuaciones dinámicas de la máquina. Estos observadores pueden ser de orden completo o reducido, con o sin realimentación del error de estimación.

Las técnicas citadas anteriormente se basan en el modelo d-q de la máquina, y obtienen la información a partir de la fuerza electromotriz o enlaces de flujo. Debido a esto, a bajas velocidades las señales de estimación son pequeñas y se ven afectadas tanto por el ruido de medición como por la desviación de los parámetros del motor. Incluso teóricamente, utilizando estas estrategias, no es posible obtener información de la posición del rotor a velocidad cero.

En máquinas de inducción, el esquema más extendido es el MRAS (Model Referente Adaptive System), que hace uso de dos modelos, uno de ellos dependiente de la velocidad, comparando los resultados de ambos para obtener la señal de error.

También se utilizan esquemas basados en el filtro Kalman: KF (Kalman Filter), EKF(Extended Kalman Filter), etc; aunque son más complejos que el MRAS y son sensibles a las variaciones de parámetros.

Los casos hasta ahora mencionados pertenecen al tipo de estimadores en cadena abierta (Open-Loop Observers), que son sensibles a las variaciones de parámetros y al ruido. Los estimadores con realimentación (Close-Loop Observers) abarcan los observadores "Full Order Nonlinear" y "Sliding Mode".

El observador adaptativo "Sliding Mode" permite trabajar a muy bajas velocidades (3 rev/min, 0,002 p.u.), siendo el valor más bajo alcanzable con los métodos sin inyección de señal.

Existen varias propuestas para la estimación de posición a bajas velocidades. Éstas obtienen información sobre la posición del rotor a partir de las irregularidades que afectan tos parámetros de la máquina, en función de la posición del rotor. Las irregularidades pueden ser inherentes a la máquina utilizada, debidas a las características constructivas de la misma, o realizadas expresamente con la intención de generar o evidenciar una señal de corriente o tensión que permita la estimación de la posición.

La estimación de posición/velocidad por este método es en general más sencilla en las máquinas síncronas, ya que éstas tienen de forma natural salientes o asimetrías.

Las irregularidades que afectan los parámetros de la máquina con la posición del rotor son, entre otras: la distribución espacial discreta de bobinados, barras o imanes; las variaciones de entrehierro (debido a las ranuras, polos y excentricidades) o las propiedades del material utilizado y características de laminación (saturación magnética, histéresis y corrientes parásitas).

Para obtener la información de la posición del rotor a partir de las irregularidades han sido propuestos diferentes métodos. Éstos, en la mayoría de los casos, consisten en aplicar una determinada excitación de exploración, además de la excitación fundamental que genera el par motor, que permite obtener una señal de corriente, o tensión, conteniendo la información de la posición del rotor. En algunos casos, esta señal de exploración es una corriente o tensión trifásica equilibrada, de alta frecuencia, que se inyecta sobre la excitación fundamental de la máquina. En otros casos, son pulsos de tensión discretos, generados por el inversor que alimenta a la máquina, mientras se cancela la excitación fundamental.

La inyección de una señal de alta frecuencia, consiste en aplicar una señal de tensión o corriente, a una frecuencia mucho mayor que la excitación fundamental de la máquina (0.5-1 kHz). Esta señal puede tomar varias formas, pero las más comunes son la excitación trifásica equilibrada y la excitación de amplitud modulada. La excitación trifásica equilibrada genera un vector de excitación que gira a la frecuencia de la señal inyectada. La excitación de amplitud modulada genera un vector de excitación que es estacionario o gira lentamente y su amplitud varía a alta frecuencia. En ambos casos, la señal de excitación induce corrientes o tensiones que contienen información relativa a la posición de las irregularidades en la máquina.

Los estimadores se implementan generalmente utilizando electrónica de control basada en microprocesadores. El procedimiento objeto de la invención consiste también en un algoritmo programable en un microprocesador, para la estimación de la velocidad del rotor de una máquina de inducción trifásica a partir de la medida de las corrientes y las tensiones en el estator que permite eliminar el sensor de velocidad físico, sustituyéndolo.

Las ventajas del procedimiento objeto de la invención son, además de la eliminación de la necesidad de contar con un sensor físico de velocidad del rotor, su correcto comportamiento incluso frente a variaciones importantes de los parámetros físicos de la máquina como los debidos a variaciones de temperatura y envejecimiento y que su procesamiento requiere un reducido número de líneas de programa que no suponen un aumento significativo respecto del empleado en procesar en un microprocesador el algoritmo de control del accionamiento. Además su funcionamiento es correcto tanto con velocidades elevadas como con velocidades intermedias o reducidas.

Otras ventajas son la eliminación del cable que conecta el sensor, una mejor inmunidad al ruido electromagnético, mayor fiabilidad, menores requisitos de mantenimiento y funcionamiento adecuado en ambientes industriales hostiles.

Respecto de otros estimadores sus principales ventajas son su sencillez de computación y su exactitud en un amplio margen de velocidades.

Descripción de la invención

La invención se refiere a un procedimiento para estimar la velocidad de giro del rotor de una máquina de inducción trifásica de acuerdo con la reivindicación 1. Realizaciones preferidas se definen en las reivindicaciones dependientes.

El procedimiento comprende:

- medir dos corrientes de alimentación de la máquina;

-...

1. Procedimiento para estimar la velocidad de giro del rotor de una máquina de inducción trifásica, caracterizado porque comprende:

- medir dos corrientes de alimentación de la máquina;

- medir dos tensiones de línea de la alimentación de la máquina;

- calcular las componentes (u_sx, u_sy) del fasor espacial tensión del estator vec{u}_s referido a un sistema de referencia fijo;

- calcular las componentes (i_sx, i_sy) del fasor espacial corriente del estator vec{i}_s referido a dicho sistema de referencia fijo;

- calcular las componentes (i_smx, i_smy) del fasor espacial corriente de magnetización del estator vec{i}_sm referido al sistema de referencia fijo;

- obtener el valor de dos denominadores (denominador A, denominador B), según la siguiente fórmula:

donde:

L es la inductancia magnetizante;

L_s = L_{s s} + L, es la inductancia de estator;

L_r = L'_{s r} + L, es la inductancia de rotor referida a estator;

- obtener la velocidad estimada w_est de giro del rotor de la máquina de la siguiente forma:

R_s es la resistencia de una fase de estator;

R'_r es la resistencia de una fase de rotor referida a estator.

2. Procedimiento para estimar la velocidad de giro del rotor de una máquina de inducción trifásica según la reivindicación anterior, caracterizado porque las componentes (i_smx, i_smy) del fasor espacial corriente de magnetización del estator vec{i}_sm se calculan según las siguientes ecuaciones:

3. Procedimiento para estimar la velocidad de giro del rotor de una máquina de inducción trifásica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las componentes (i_sx, i_sy) del fasor espacial corriente del estator vec{i}_s se calculan según las siguientes ecuaciones:

donde i_a, i_b, i_c son las corrientes de alimentación de la máquina de inducción trifásica.

4. Procedimiento para estimar la velocidad de giro del rotor de una máquina de inducción trifásica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las componentes (u_sx, u_sy) del fasor espacial tensión del estator vec{u}_s se calculan según las siguientes ecuaciones:

donde u_a es la tensión fase-neutro de la fase a y u_bc es una tensión de línea de la alimentación de la máquina.

5. Procedimiento para estimar la velocidad de giro del rotor de una máquina de inducción trifásica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho procedimiento se ejecuta en el procesador digital de señales (DSP) utilizado para procesar el algoritmo de control de la máquina de inducción trifásica.

6. Procedimiento para estimar la velocidad de giro del rotor de una máquina de inducción trifásica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las medidas de las dos corrientes de alimentación de la máquina se obtienen utilizando dos sensores de efecto Hall conectados cada uno de ellos en una fase diferente del estator.