Aparato de control vectorial para motor de inducción, método de control vectorial para motor de inducción, y aparato de control de accionamiento para motor de inducción.

Un dispositivo de control vectorial que controla la impulsión de un motor (6) de inducción por medio de uninversor (4),

que comprende:

medios (40) de cálculo de la orden de flujo magnético secundario para calcular una orden de flujo magnéticosecundario para el motor (6) de inducción teniendo en cuenta una tensión máxima que puede generar elinversor (4) basándose en una orden de par procedente de una tensión DC, externa, que se debe introduciren el inversor (4), y una frecuencia angular del inversor, la cual es una frecuencia angular de una tensión ACque debe ser proporcionada como salida desde el inversor (4);

medios (8 y 9) de generación de la orden de corriente en eje q/eje d para generar una orden de corriente en eleje q y una orden de corriente en el eje d en un sistema de coordenadas giratorio de ejes d-q en referencia aun flujo magnético secundario del motor (6) de inducción basándose en la orden de par y en la orden de flujomagnético secundario;

medios (14, 17, y 18) de cálculo de la tensión de salida para calcular una tensión de salida que debeproporcionar como salida el inversor (4) basándose en la orden de corriente en el eje q, en la orden decorriente en el eje d, y en una constante de circuito del motor de inducción; ymedios (50) de generación de orden de tensión/señal PWM para controlar el inversor (4) para que el citadoinversor (4) proporcione como salida la tensión de salida,

caracterizado porque;

los medios (40) de cálculo de la orden de flujo magnético secundario tienen:

una porción (41) de cálculo del valor máximo de la tensión de salida configurada para calcular latensión máxima que puede generar el inversor (4) basándose en la tensión DC aplicada al citadoinversor (4);

una porción (42) de cálculo de la orden de flujo magnético secundario de tensión máxima configuradapara calcular una orden de flujo magnético secundario de tensión máxima, la cual es una orden de flujomagnético secundario para hacer que coincidan la magnitud de la tensión máxima y la magnitud de latensión de salida;

una porción (44) de preferencia de orden inferior configurada para elegir y proporcionar como salida laorden de flujo magnético secundario de tensión máxima o una orden de flujo magnético secundarionominal pre-establecida, la que sea más pequeña de las dos, como orden de flujo magnéticosecundario; y

los medios de cálculo de la orden del flujo magnético secundario están configurados para ser capacesde conmutar los valores de la orden de flujo magnético secundario nominal de acuerdo con un estadode funcionamiento del motor (6) de inducción, basándose en al menos dos tipos de valores incluyendoun valor aplicado durante la alimentación del motor (6) de inducción y un valor aplicado durante laregeneración.

Aparato de control vectorial para motor de inducción, método de control vectorial para motor de inducción, y aparato de control de accionamiento para motor de inducción Campo Técnico La presente invención se refiere a un dispositivo de control vectorial de un motor de inducción conectado a un inversor que convierte una tensión DC en una tensión AC a una frecuencia arbitraria para proporcionar como salida la tensión AC, un método de control vectorial de un motor de inducción, y un dispositivo de control de impulsión de un motor de inducción.

Técnica Anterior Una técnica básica de control vectorial en un motor de inducción usando un inversor es una técnica anterior que se ha usado ampliamente en el campo industrial. Esta técnica consiste en controlar de manera instantánea un par de un motor a alta velocidad mediante una operación de una corriente con componente de par en relación perpendicular a un flujo magnético secundario dentro del motor operando por separado la magnitud y la fase de una tensión de salida del inversor.

El control vectorial de un motor de inducción es una técnica que en los últimos años también se está usando en los ferrocarriles eléctricos.

Un inversor de impulsión de un vehículo eléctrico está caracterizado porque el modo de conmutación del inversor se conmuta de tal manera que en un rango de velocidades bajas se usa un modo PWM de pulsos múltiples, el cual se emplea generalmente en muchos casos, y en un rango de velocidades medias y altas se usa un modo de pulso único en el cual la tensión de salida del inversor se satura y se fija al valor máximo.

El modo PWM (modulación del ancho de pulso) de pulsos múltiples al que se hace referencia en este documento es un método PWM generalmente bien conocido y es un modo para generar una señal PWM comparando una onda triangular a una frecuencia de aproximadamente 1 kHz con una orden de tensión.

El modo de pulso único al que se hace referencia en este documento sirve para dar a una tensión línea-línea de salida del inversor la forma de onda de conducción de onda rectangular de 120º. Debido a que el valor eficaz de la onda fundamental de una tensión de salida del inversor se puede aumentar hasta el máximo y el número de pulsos en un semi-ciclo de la onda fundamental de la tensión de salida se puede reducir a uno, lo cual es el mínimo, el modo está caracterizado porque se puede obtener un inversor compacto y ligero minimizando las pérdidas por conmutación del inversor y haciendo más pequeño un dispositivo de refrigeración.

La forma de onda de conducción de onda rectangular de 120º a la que se hace referencia en este documento es una forma de onda de tensión por la cual una tensión línea-línea del inversor tiene un pulso en un semi-ciclo y la anchura de conducción es de 120º en ángulo eléctrico.

Para el inversor de un vehículo eléctrico, es esencial disponer de la capacidad de realizar control vectorial estable en todo el rango desde el modo PWM de pulsos múltiples en un rango de velocidades bajas hasta el modo de pulso único en un rango de velocidades medias y altas, en el cual una tensión de salida del inversor se satura y se fija al valor máximo, y son elementos cruciales una técnica de control vectorial en un rango de saturación de la tensión de salida del inversor y una técnica de conmutación de modo de pulso.

En particular, la magnitud de una tensión de salida del inversor se fija a la tensión máxima correspondiente a una tensión de entrada del inversor en el rango de saturación de la tensión de salida del inversor. Por lo tanto, es necesario concebir una técnica para establecer control vectorial.

En el rango de saturación de la tensión de salida del inversor, en el caso en que una orden de tensión de salida del inversor calculada por un dispositivo de control vectorial supera la tensión máxima que realmente puede proporcionar como salida el inversor, el inversor no consigue proporcionar como salida una tensión de acuerdo con la orden de tensión de salida del inversor.

Por consiguiente, existe una discrepancia entre una orden de flujo magnético secundario para el motor de inducción y un flujo magnético secundario dentro del motor, lo que hace difícil realizar control vectorial de forma apropiada.

Para evitar este fenómeno, es necesario ajustar una orden de flujo magnético secundario de manera que una orden de tensión de salida del inversor no supere la tensión máxima que realmente puede proporcionar como salida el inversor.

Para ser más concretos, en caso de que la orden de tensión de salida del inversor supere la tensión máxima que realmente puede proporcionar como salida el inversor, se tiene que reducir la orden de tensión de salida del inversor reduciendo la orden de flujo magnético secundario.

El documento 1 de No Patente especificado más adelante presenta un método de control vectorial que soluciona los problemas explicados anteriormente.

El documento 1 de No Patente explica que la orden de tensión de salida del inversor se puede corregir para que coincida con la tensión de salida máxima que realmente puede proporcionar como salida el inversor y, por lo tanto, para que se permita control vectorial incluso en el rango de saturación de la tensión de salida del inversor configurando de tal manera que cuando una orden de tensión de salida del inversor calculada por el dispositivo de control vectorial supere la tensión máxima que puede proporcionar como salida el inversor, se introduzca en un controlador de corrección de flujo magnético una diferencia entre la orden de tensión de salida del inversor y la tensión que realmente puede proporcionar como salida, de tal manera que la orden de flujo magnético secundario sea reducida por una salida del controlador de corrección de flujo magnético.

Documento 1 de No Patente: “Denatsu kotei moudo deno yuuden dendouki no bekutoru seigyo”, Journal of IEEJ, Vol. 118-D, Nº 9, 1998.

El documento WO 2006/033181 presenta un controlador vectorial de un motor de inducción diseñado para conseguir giro estabilizado en un breve tiempo de control aumentando el ratio SN de tensión de salida incluso cuando la velocidad de giro es baja, suprimiendo de ese modo el error de un valor de operación de la frecuencia angular primaria. El controlador vectorial de un motor de inducción calcula un valor de operación de la orden de flujo basándose en un valor de la orden de par, en las constantes de circuito del motor de inducción, y en un valor de la orden de flujo seleccionado basándose en las mediciones del motor de inducción, de tal manera que una tensión aplicada al motor de inducción sea no menor que un nivel establecido.

El documento US 5.196.778 A presenta un conmutador de cambio de ganancia que sirve para cambiar al menos una de entre una ganancia de bucle de corriente y una ganancia de bucle de velocidad a un valor de ganancia mayor que el de otros modos. Además, el conmutador de cambio sirve para seleccionar un circuito de excitación de refuerzo para producir el flujo secundario en el motor de inducción, el cual es mayor que el producido por un circuito de excitación variable de atenuación, sólo en el caso en que están seleccionados el modo de control de posición rotacional y el modo de funcionamiento, para controlar de ese modo con mayor precisión el motor de inducción. En otros modos, el conmutador de cambio sirve para seleccionar el circuito de excitación variable de atenuación para controlar de forma variable el componente de excitación de la corriente primaria para producir el flujo secundario correspondiente a un componente de par desarrollado por la corriente primaria.

El documento US 6.184.648 B1 proporciona un aparato de control de motor que comprende un dispositivo de atenuación de campo para convertir una señal de realimentación de velocidad obtenida a partir de la velocidad de giro de un motor en una señal de referencia de flujo magnético secundario usando un patrón de campo, y proporcionando como salida, basándose en el resultado de la comparación, una señal de control para conmutar el patrón de campo. Dado que el selector puede conmutar el patrón de campo, se puede obtener una salida de par precisa.

Exposición de la Invención Problemas que debe solucionar la Invención Sin embargo, de acuerdo con el método de control vectorial de un motor de inducción explicado en el Documento 1 de No Patente, después de que la orden de tensión de salida del inversor se desvía de la tensión que realmente puede proporcionar como salida el inversor, el controlador de corrección de flujo magnético opera para ajustar la orden de flujo magnético secundario de tal manera que se reduzca la orden... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo de control vectorial que controla la impulsión de un motor (6) de inducción por medio de un inversor (4) , que comprende:

medios (40) de cálculo de la orden de flujo magnético secundario para calcular una orden de flujo magnético secundario para el motor (6) de inducción teniendo en cuenta una tensión máxima que puede generar el inversor (4) basándose en una orden de par procedente de una tensión DC, externa, que se debe introducir en el inversor (4) , y una frecuencia angular del inversor, la cual es una frecuencia angular de una tensión AC que debe ser proporcionada como salida desde el inversor (4) ; medios (8 y 9) de generación de la orden de corriente en eje q/eje d para generar una orden de corriente en el eje q y una orden de corriente en el eje d en un sistema de coordenadas giratorio de ejes d-q en referencia a un flujo magnético secundario del motor (6) de inducción basándose en la orden de par y en la orden de flujo magnético secundario; medios (14, 17, y 18) de cálculo de la tensión de salida para calcular una tensión de salida que debe proporcionar como salida el inversor (4) basándose en la orden de corriente en el eje q, en la orden de corriente en el eje d, y en una constante de circuito del motor de inducción; y medios (50) de generación de orden de tensión/señal PWM para controlar el inversor (4) para que el citado inversor (4) proporcione como salida la tensión de salida, caracterizado porque; los medios (40) de cálculo de la orden de flujo magnético secundario tienen:

una porción (41) de cálculo del valor máximo de la tensión de salida configurada para calcular la tensión máxima que puede generar el inversor (4) basándose en la tensión DC aplicada al citado inversor (4) ; una porción (42) de cálculo de la orden de flujo magnético secundario de tensión máxima configurada para calcular una orden de flujo magnético secundario de tensión máxima, la cual es una orden de flujo magnético secundario para hacer que coincidan la magnitud de la tensión máxima y la magnitud de la tensión de salida; una porción (44) de preferencia de orden inferior configurada para elegir y proporcionar como salida la orden de flujo magnético secundario de tensión máxima o una orden de flujo magnético secundario nominal pre-establecida, la que sea más pequeña de las dos, como orden de flujo magnético secundario; y los medios de cálculo de la orden del flujo magnético secundario están configurados para ser capaces de conmutar los valores de la orden de flujo magnético secundario nominal de acuerdo con un estado de funcionamiento del motor (6) de inducción, basándose en al menos dos tipos de valores incluyendo un valor aplicado durante la alimentación del motor (6) de inducción y un valor aplicado durante la regeneración.

2. El dispositivo de control vectorial de un motor de inducción de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual: la porción (42) de cálculo de la orden de flujo magnético secundario de tensión máxima calcula la orden de flujo magnético secundario de tensión máxima basándose en la orden de par y en la frecuencia angular del inversor.

3. El dispositivo de control vectorial de un motor de inducción de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual: la orden de flujo magnético secundario de tensión máxima se calcula de acuerdo con la siguiente ecuación:

en la que definimos 55 y en la que VMmax es un valor máximo de la tensión de salida del inversor, Tm* es la orden de par, ∀ es la frecuencia angular del inversor, R1 es la resistencia primaria del motor, M es una inductancia mutua del motor, ∃ es un coeficiente de fugas, L1 es una auto-inductancia primaria del motor, y L2 es una auto-inductancia secundaria del motor.

4. El dispositivo de control vectorial de un motor de inducción de acuerdo con la reivindicación 3, en el cual: la orden de flujo magnético secundario nominal es un valor establecido mediante cálculo preliminar usando la ecuación.

5. El dispositivo de control vectorial de un motor de inducción de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual: un modo de pulsos del inversor se conmuta en respuesta a una modulación porcentual del inversor calculada basándose en la orden de flujo magnético secundario y en la orden de par.

6. El dispositivo de control vectorial de un motor de inducción de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende

además: un detector de corriente (5a a 5c) configurado para medir una corriente que fluye a través del motor (6) de inducción; un transformador (23) de coordenadas tres-fases/ ejes d-q configurado para convertir la corriente detectada por el detector de corriente (5a a 5c) en una corriente en el eje q y una corriente en el eje d, las cuales son valores en el sistema de coordenadas giratorio de ejes d-q; medios (12) de control de la corriente en el eje q para operar de manera que se reduzca una desviación entre la orden de corriente en el eje q y la corriente en el eje q; y medios (13) de control de la corriente en el eje d para operar de manera que se reduzca una desviación entre la orden de corriente en el eje d y la corriente en el eje d, en los cuales: los medios (14, 17, y 18) de cálculo de la tensión de salida calculan la tensión de salida usando salidas de los medios (12) de control de la corriente en el eje q y los medios (13) de control de la corriente en el eje d; y los cálculos realizados por los medios (12) de control de la corriente en el eje q y los medios (13) de control de la corriente en el eje d se detienen en caso de que el número de pulsos en un semi-ciclo generado por el inversor (4) sea tres o menor.

7. El dispositivo de control vectorial de un motor de inducción de acuerdo con la reivindicación 6, en el cual: la frecuencia angular del inversor se corrige usando una desviación entre la orden de corriente en el eje q y la corriente en el eje q en caso de que el número de pulsos en el semi-ciclo generados por el inversor (4) es tres

o menor.

8. El dispositivo de control vectorial de un motor de inducción de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1

a 7, en el cual: el inversor (4) es operado en un modo de pulso único cuando la modulación porcentual del inversor (4) calculada basándose en la orden de flujo magnético secundario es 0, 95 o mayor.

9. El dispositivo de control vectorial de un motor de inducción de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1

a 8, en el cual: el dispositivo de control vectorial se aplica a un dispositivo de control de un motor de un vehículo eléctrico.

10. Un método de control vectorial para controlar la impulsión de un motor (6) de inducción por medio de un

inversor (4) , que comprende: calcular una orden de flujo magnético secundario para el motor de inducción teniendo en cuenta una tensión máxima que puede generar el inversor basándose en una orden de par procedente de una tensión DC, externa, que se debe introducir en el inversor (4) , y una frecuencia angular del inversor, la cual es una frecuencia angular de una tensión AC que debe proporcionar como salida desde el inversor (4) ; generar una orden de corriente en el eje q y una orden de corriente en el eje d en un sistema de coordenadas giratorio de ejes d-q en referencia a un flujo magnético secundario del motor (6) de inducción basándose en la orden de par y en la orden de flujo magnético secundario; calcular una tensión de salida que debe proporcionar como salida el inversor (4) basándose en la orden de corriente en el eje q, en la orden de corriente en el eje, y en una constante de circuito del motor (6) de inducción; y controlar el inversor (4) para que el citado inversor (4) proporcione como salida la tensión de salida, caracterizado por:

calcular la tensión máxima que puede generar el inversor (4) basándose en la tensión DC aplicada al inversor (4) ; calcular una orden de flujo magnético secundario de tensión máxima, la cual es una orden de flujo magnético secundario para hacer que coincidan la magnitud de la tensión máxima y la magnitud de la tensión de salida; elegir y proporcionar como salida la orden de flujo magnético secundario de tensión máxima o una orden de flujo magnético secundario nominal pre-establecida, la que sea más pequeña de las dos, como la orden de flujo magnético secundario; y conmutar los valores de la orden de flujo magnético secundario nominal de acuerdo con un estado de funcionamiento del motor (6) de inducción, basándose en al menos dos tipos de valores incluyendo un valor aplicado durante la alimentación del motor (6) de inducción y un valor aplicado durante la regeneración.