Procedimiento y dispositivo de control de regulación de una máquina eléctrica giratoria de corriente alterna, en particular síncrona.

Procedimiento de regulación de una máquina eléctrica giratoria (1) que recibe en la entrada una tensión de control discreta determinada para establecer el par electromagnético (Γ

k) suministrado por la máquina (1), sobre un valor de consigna (Γ*) de par, consistiendo este procedimiento en determinar en cada instante de muestreo (k-1), la tensión de control discreta (Vs,k-1) a aplicar a la máquina (1) en función de al menos una señal muestreada (Ik, Γk, Γk) representativa del par electromagnético (Γk) de la máquina, para alcanzar el valor de consigna de par (Γ*) en el instante de muestreo (k) siguiente,

caracterizado por el hecho de que comprende:

- una etapa previa de determinación de una ley de control en tensión discreta de la máquina (1), en la cual la tensión de control discreta (Vs,k-1) a aplicar en cada instante de muestreo (k), se determina en la forma:

donde f es una función que da la tensión de control a aplicar en el instante de muestreo k-1 para alcanzar los valores de consigna de par y energía, en función de las variables ΓΓk y ΓWk que representan respectivamente la separación entre el par electromagnético de la máquina a alcanzar (Γ*) en el instante de muestreo k siguiente y la componente de evolución libre de este par en ausencia de control en este instante, y la separación entre la energía magnética (Wk) consumida por la máquina en el instante k y la componente de evolución libre (Wk) de esta energía en ausencia de control en este instante,

- en cada instante de muestreo, una etapa de determinación, con ayuda de la ley de control discreta, de la tensión de control (Vs,k-1) a aplicar a la máquina para que el par de la máquina alcance el par de consigna (Γ*), y la energía magnética consumida por la máquina corresponda a un valor de consigna de energía magnética (W*).

Procedimiento y dispositivo de control de regulación de una máquina eléctrica giratoria de corriente alterna, en particular síncrona.

La presente invención se refiere a un procedimiento de regulación de una máquina eléctrica giratoria de corriente alterna, en particular un motor eléctrico del tipo síncrono de polos lisos. También se refiere a un dispositivo de alimentación de esta máquina.

Se aplica en especial, pero no exclusivamente a los motores utilizados en el ámbito ferroviario para la tracción y la suspensión activa.

Más concretamente, la invención se refiere a un procedimiento de regulación capaz de controlar el par electromagnético de la máquina según unos valores de consigna.

Efectivamente, la orden de la velocidad de una máquina síncrona se realiza generalmente regulando el par electromagnético de la máquina. Para ello, las máquinas giratorias están generalmente dotadas de un regulador que recibe en la entrada, un valor de consigna de par electromagnético y una o varias señales muestreadas representativas del par electromagnético de la máquina elaboradas a partir de una medida de la corriente estatórica, aplicando el regulador una tensión de control a un ondulador de alimentación de la máquina. Para establecer el par electromagnético de la máquina en el valor de consigna de par, el regulador procede, en cada instante de muestreo, a una predicción del valor del par en el instante de muestreo siguiente, y modifica consecuentemente la tensión de control del ondulador.

Una de l as principales preocupaciones para la mayor parte de las aplicaciones industriales es la mejora de las prestaciones dinámicas de estas máquinas, y en particular el aumento de la dinámica de par. Una primera solución consiste en aumentar las capacidades de conmutación de los conmutadores de potencia de los que está provisto el ondulador para aumentar la frecuencia de conmutación. Sin embargo, esta solución implica la utilización de componentes de potencia muy costosos y conduce a aumentar las pérdidas de conmutación.

Se puede dotar al sistema de componentes electrónicos de pérdidas reducidas. Esta solución es sin embargo inaceptable en la medida en que contribuye a aumentar considerablemente el coste del dispositivo de alimentación de la máquina.

Para definir el funcionamiento del regulador, existen por otro lado, procedimientos que consisten en utilizar un modelo continuo en el tiempo para modelizar el funcionamiento de la máquina, en realizar a partir de este modelo continuo lo que se llama una síntesis para determinar siempre en tiempo continuo las ecuaciones que dan las órdenes correctivas a aplicar al sistema en función de parámetros de funcionamiento, para obtener el funcionamiento deseado, y luego en discretizar en el tiempo estas ecuaciones para obtener ecuaciones de diferencias que son ejecutables por un calculador numérico integrado en el regulador. Sin embargo, estos procedimientos ofrecen prestaciones limitadas en términos de dinámica de control y pueden aparecer fenómenos de inestabilidad si el periodo de muestreo impuesto por el ondulador es demasiado elevado. Además, estos procedimientos no permiten alcanzar un valor de consigna de par en un único periodo de muestreo.

De la solicitud de patente EP 1 045 514 presentada por el Solicitante, se conoce un procedimiento para controlar una máquina eléctrica giratoria a partir de un modelo discreto de la máquina y del ondulador de alimentación de la máquina, dando este modelo la tensión de control a aplicar por el ondulador a la máquina para alcanzar un valor de par de consigna y un valor de módulo de flujo magnético de consigna. Sin embargo, este modelo está adaptado a las máquinas giratorias de tipo asíncrono, y no se aplica a cualquier tipo de máquina giratoria. Además, la regulación del par y del módulo de flujo no permite tomar en consideración el conjunto de los parámetros de funcionamiento de la máquina. De ello resulta que las prestaciones dinámicas de la máquina pueden mejorarse aún más.

La invención tiene como objetivo dar remedio a los inconvenientes precitados. Este objetivo se alcanza mediante un procedimiento según la reivindicación 1 y un dispositivo según la reivindicación 11.

Ventajosamente, el valor de consigna de energía es un valor mínimo.

Según otra particularidad de la invención, la ley de control discreta se determina en una referencia ligada a la evolución libre en tiempo discreto del flujo rotórico en la máquina.

Cuando la máquina es de tipo síncrono de polos lisos, la ley de control discreta determinada en el transcurso de la etapa previa es de la forma siguiente:

en la cual

y

representan los componentes del vector de tensión de control en el instante k-1,

expresados en una referencia

móvil en tiempo discreto y ligada a la evolución libre del flujo rotórico en la máquina en el instante siguiente k, corresponde al módulo de la evolución libre del flujo rotórico en el

instante siguiente k, representando iIk y iW k respectivamente la separación entre el par electromagnético de la máquina a alcanzar en el instante de muestreo k siguiente y la componente de evolución libre de este par en este instante, y la separación entre la energía magnética consumida por la máquina en el instante k y la componente de evolución libre de esta energía en este instante.

Ventajosamente, la máquina es de tipo síncrono de imanes permanentes montados en superficie.

Como alternativa, la máquina es de tipo síncrono de polos lisos arrollados.

Según una particularidad de la invención, este procedimiento comprende la realización de una estrategia de baja velocidad cuando la máquina gira a una velocidad inferior a un umbral predefinido, consistiendo esta estrategia en determinar la tensión de control a aplicar a la máquina para alcanzar en el instante de muestreo siguiente el par de consigna con una aportación de energía magnética nula.

Preferentemente, esta estrategia de baja velocidad consiste en aplicar la ley de control discreta siguiente:

en la cual

es la componente de la evolución libre de la corriente estatórica, según el eje de la referencia

ligada a la evolución libre de la corriente estatórica durante el periodo de muestreo entre los instantes de muestreo k-1 y k.

Según otra particularidad de la invención, este procedimiento comprende la realización de una estrategia de alta velocidad cuando la máquina gira a una velocidad superior a un umbral predefinido, consistiendo esta estrategia en tener en cuenta limitaciones del ondulador, para determinar un valor de par de consigna intermedia que la máquina puede alcanzar en el instante de muestreo siguiente, con una energía magnética consumida determinada.

Preferentemente, esta estrategia de alta velocidad comprende la resolución del sistema de ecuaciones 25 siguiente:

donde y

son los componentes de la corriente estatórica en la referencia

en el instante k,

son los componentes de la evolución libre de la corriente estatórica en esta referencia en el mismo son respectivamente los módulos de la tensión máxima y de la corriente máxima en el estator, y a una constante, obteniéndose la tensión de control con ayuda de la ecuación siguiente:

La invención también se refiere a un dispositivo de regulación de una máquina giratoria, que comprende un ondulador alimentado por una tensión de alimentación, un regulador que recibe en la entrada un valor de consigna de par electromagnético y al menos una señal muestreada representativa del par electromagnético de la máquina y que suministra al ondulador una tensión de control adaptada para establecer el par electromagnético de la máquina en el valor de consigna de par, por predicción, en cada instante de muestreo, del valor de par electromagnético en el

instante de muestreo siguiente y modificación consecutiva de la tensión de control, caracterizado por el hecho de que el regulador comprende:

- una ley de control discreta de la máquina, almacenada en memoria, suministrando esta ley de control la tensión de control discreta a aplicar a un instante de muestreo corriente k, en la forma de un primer término correspondiente a la evolución libre del estado de la máquina en ausencia de control, entre el instante de muestreo precedente k-1 y el

instante de muestreo corriente k, y de un segundo término que depende de valor del par de consigna y de un valor de consigna de energía magnética consumida por la máquina, y

- medios para determinar en cada instante de muestreo, con ayuda de la ley... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de regulación de una máquina eléctrica giratoria (1) que recibe en la entrada una tensión de control discreta determinada para establecer el par electromagnético (Ik) suministrado por la máquina (1) , sobre un valor de consigna (I*) de par, consistiendo este procedimiento en determinar en cada instante de muestreo (k-1) , la tensión de control discreta (Vs, k-1) a aplicar a la máquina (1) en función de al menos una señal muestreada (Ik, k, Qk) representativa del par electromagnético (Ik) de la máquina, para alcanzar el valor de consigna de par (I*) en el instante de muestreo (k) siguiente,

caracterizado por el hecho de que comprende:

-una etapa previa de determinación de una ley de control en tensión discreta de la máquina (1) , en la cual 10 la tensión de control discreta (Vs, k-1) a aplicar en cada instante de muestreo (k) , se determina en la forma:

donde f es una función que da la tensión de control a aplicar en el instante de muestreo k-1 para alcanzar los valores de consigna de par y energía, en función de las variables iIk y iWk que representan respectivamente la separación entre el par electromagnético de la máquina a alcanzar ( I*) en el instante de muestreo k siguiente y la componente de evolución libre de este par en ausencia de control en este instante, y la separación entre la energía magnética (Wk) consumida por la máquina en el instante k y

la componente de evolución libre (Wk) de esta energía en ausencia de control en este instante,

-en cada instante de muestreo, una etapa de determinación, con ayuda de la ley de control discreta, de la tensión de control (Vs, k-1) a aplicar a la máquina para que el par de la máquina alcance el par de consigna

(I*) , y la energía magnética consumida por la máquina corresponda a un valor de consigna de energía magnética (W*) .

2. Procedimiento de regulación según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el valor de consigna de energía (W*) es un valor mínimo.

3. Procedimiento de regulación según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2,

caracterizado por el hecho de que la ley de control discreta se determina en una referencia ligada a la evolución libre en tiempo discreto del flujo rotórico en la máquina.

4. Procedimiento de regulación según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3,

caracterizado por el hecho de que la máquina (1) es de tipo síncrono de polos lisos, y por el hecho de que la ley de control discreta determinada en el transcurso de la etapa previa es de la forma siguiente:

en la cual vd, k-1 y vq, k-1 representan los componentes del vector de tensión de control en el instante k-1, expresadas en una referencia móvil en tiempo discreto y ligada a la evolución libre

del flujo rotórico en la máquina en el instante siguiente k, "a" es una constante,

corresponde al módulo de la evolución libre del flujo rotórico en el instante siguiente k, iIk y iWk representan respectivamente la separación entre el par

electromagnético de la máquina a alcanzar en el instante de muestreo k siguiente y la componente de evolución libre de este par en este instante, y la separación entre la energía magnética consumida por la máquina en el instante k y la componente de evolución libre de esta energía en este instante.

5. Procedimiento de regulación según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que la máquina (1) es de tipo síncrono de imanes permanentes montados en superficie.

6. Procedimiento de regulación según cualquiera de las reivindicaciones 1 a, caracterizado por el hecho de que la máquina (1) es de tipo síncrono de polos lisos arrollados.

7. Procedimiento de regulación según la reivindicación 5 o la 6,

caracterizado por el hecho de que comprende la realización de una estrategia de baja velocidad cuando la máquina (1) gira a una velocidad inferior a un umbral predefinido, consistiendo esta estrategia en determinar la tensión de control a aplicar a la máquina para alcanzar en el instante de muestreo siguiente el par de consigna con una aportación de energía magnética nula.

8. Procedimiento de regulación según la reivindicación 7, caracterizado por el hecho de que la estrategia de baja velocidad consiste en aplicar la ley de control discreta siguiente:

en la cual es la componente de la evolución libre de la corriente estatórica, según el eje

de la referencia

ligada a la evolución libre del flujo rotórico durante el periodo de muestreo entre los instantes de muestreo

k-1 y k, "a" es una constante, corresponde al módulo de la evolución libre del flujo rotórico en el instante siguiente k, y iIk representa la separación entre el par electromagnético de la máquina a alcanzar en el instante de muestreo k siguiente y la componente de evolución libre de este par en este instante.

9. Procedimiento de regulación según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, caracterizado por el hecho de que comprende la realización de una estrategia de alta velocidad cuando la máquina (1) gira a una velocidad superior a un umbral predefinido, consistiendo esta estrategia en tener en cuenta limitaciones del ondulador (2) , para determinar un valor de par de consigna intermedia que la máquina puede alcanzar en el instante de muestreo siguiente, con una energía magnética consumida determinada.

10. Procedimiento de regulación según la reivindicación 9,

caracterizado por el hecho de que la estrategia de alta velocidad comprende la resolución del sistema de 25 ecuaciones siguiente:

en el cual I k, d y Ik, q son los componentes de la corriente estatórica en la referencia

en el instante k,

y

son los componentes de la evolución libre de la corriente estatórica en esta referencia en el mismo instante, llVsmaxll y llIsmaxll son respectivamente los módulos de la tensión máxima y de la corriente máxima en el estator, y "a" 30 una constante, obteniéndose la tensión de control con ayuda de la ecuación siguiente:

11. Dispositivo de regulación de una máquina giratoria, que comprende un ondulador, un regulador que recibe en la entrada un valor de consigna de par electromagnético y al menos una señal muestreada representativa del par electromagnético de la máquina y que suministra al ondulador una orden adaptada para establecer el par electromagnético de la máquina en el valor de consigna de par (I*) , por predicción, en cada instante de muestreo, del valor de par electromagnético en el instante de muestreo siguiente y modificación consecutiva de la orden, caracterizado por el hecho de que el regulador comprende:

- una ley de control discreta de la máquina, almacenada en memoria, suministrando esta ley de control la tensión de control discreta (Vs, k-1) a aplicar en cada instante de muestreo (k) , que se determina en la forma:

en la cual f es una función que da la tensión de control a aplicar en el instante de muestreo k-1 para alcanzar los valores de consigna de par y energía, en función de las variables iIk y iWk que representan

respectivamente la separación entre el par electromagnético de la máquina a alcanzar en el

instante de muestreo k siguiente y la componente de evolución libre de este par en ausencia de 15 control en este instante, y la separación entre la energía magnética (W k) consumida por la máquina en el

instante k y la componente de evolución libre de esta energía en ausencia de control en este instante, y

- medios para determinar en cada instante de muestreo, con ayuda de la ley de control discreta, la tensión de control (Vs, k-1) a aplicar a la máquina para que el par electromagnético de la máquina alcance el par de

consigna (I*) , y la energía magnética consumida por la máquina corresponde a un valor de consigna de energía (W*) .