Sistema y procedimiento para la determinación de la resistencia del arrollamiento del estator en un motor de corriente alterna que utiliza controladores de motor.

Sistema para la estimación de la resistencia de un arrollamiento de estator de un motor de corriente alterna (CA),

cuyo sistema comprende:

un controlador (10) de motor CA que tiene una entrada conectable a una fuente CA y una salida conectable a unterminal de entrada de un motor CA, comprendiendo el controlado (10) del motor CA:

un convertidor (24) de modulación de amplitud de impulso (PWM) que tiene una serie de conmutadores paracontrolar flujo de corriente y voltajes de terminales en el motor CA; y

un sistema de control (28) conectado al convertidor PWM (24) y configurado para:

generar una señal de instrucción para hacer que el convertidor PWM (24) controle una salida del controlador delmotor CA (10) correspondiente con la entrada del motor CA;

generar selectivamente una señal de instrucción modificada para hacer que el convertidor PWM (24) inyecte unaseñal CC en la salida del controlador (10) del motor CA con la amplitud de la señal CC inyectada ajustada, demanera que las pulsaciones de par en el motor CA provocadas por la señal CC inyectada se mantienen dentro de unrango de tolerancia predeterminado; y

determinar la resistencia de arrollamiento del estator de un motor CA basado en la señal CC de, como mínimo, unode dichos voltaje y corriente.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/IB2010/000175.

Solicitante: EATON CORPORATION.

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: EATON CENTER, 1111 SUPERIOR AVENUE CLEVELAND, OHIO 44114-2584 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: LU,Bin, HABETLER,THOMAS G, ZHANG,PINJIA.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H02H7/08 SECCION H — ELECTRICIDAD.H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA.H02H CIRCUITOS DE PROTECCION DE SEGURIDAD (indicación o señalización de condiciones de trabajo indeseables G01R, p. ej. G01R 31/00, G08B; localización de defectos a lo largo de las líneas G01R 31/08; dispositivos de protección H01H). › H02H 7/00 Circuitos de protección de seguridad especialmente adaptados para máquinas o aparatos eléctricos de tipos especiales o para la protección seccional de sistemas de cables o líneas, y efectuando una conmutación automática en el caso de un cambio indeseable de las condiciones normales de trabajo (asociación estructural de órganos de protección con máquinas o aparatos específicos y su protección sin desconexión automática, ver la subclase correspondiente a tales máquinas o aparatos). › para motores dinamoeléctricos.
  • H02P21/14 H02 […] › H02P CONTROL O REGULACION DE MOTORES ELECTRICOS, GENERADORES ELECTRICOS O CONVERTIDORES DINAMOELECTRICOS; CONTROL DE TRANSFORMADORES, REACTANCIAS O BOBINAS DE CHOQUE.H02P 21/00 Disposiciones para el control o la regulación de motores eléctricos por control por vector, por ej. por control de la orientación del campo. › Estimación o adaptación de parámetros de las máquinas, p. ej. constante de tiempo de rotor, flujo, velocidad, corriente o voltaje.
  • H02P23/14 H02P […] › H02P 23/00 Disposiciones o métodos para el control de motores de CA caracterizados por un método de control diferente al control vectorial. › Estimación o adaptación de parámetros de las máquinas, p. ej. constante de tiempo de rotor, flujo, velocidad, corriente o voltaje.

PDF original: ES-2409004_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Sistema y procedimiento para la determinación de la resistencia del arrollamiento del estator en un motor de corriente alterna que utiliza controladores de motor.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere de manera general a motores de inducción de corriente alterna (CA) y, más particularmente, a un sistema y procedimiento para determinar la resistencia del arrollamiento del estator de motores de corriente alterna mediante un controlador del motor, para protección térmica de los motores CA, mejorando el rendimiento de control del motor, y monitorizando el estado de los motores CA.

La utilización de controladores de motor en diferentes industrias ha resultado más prevalente recientemente basándose en la creciente necesidad de ahorrar energía y flexibilidad de control en el funcionamiento del motor. Basándose en estas necesidades, han resultado cada vez más importantes las mejoras en el control del motor. Un factor de mejora del rendimiento del control del motor es la exactitud de la estimación de los parámetros del motor, que es de gran importancia para el comportamiento general del control de los controladores del motor. Entre la serie y parámetros del motor que pueden ser estimados, tales como resistencias de estator y rotor, fugas de estator y rotor, inductancias, inductancia magnética, etc., la resistencia del estator es el parámetro más difícil de identificar a causa de su reducido valor unitario. No obstante, la exactitud de la estimación de la resistencia del estator es esencial para determinar de manera precisa una serie de parámetros relacionados con el motor. Por ejemplo, una estimación precisa de la resistencia del estator permite la estimación adicional del flujo rotor/estator, velocidad del rotor, par del intersticio de aire, pérdidas en el cobre del estator, y otros parámetros similares. La estimación precisa de resistencia del arrollamiento del estator es, por lo tanto, beneficiosa para los controles del motor y es utilizada ampliamente en la monitorización del estado del motor, diagnóstico y pronóstico de fallos, y evaluación de eficiencia instantánea. Se hace referencia al documento KR20070048522 que da a conocer un sistema para determinar la resistencia del arrollamiento del estator en un motor CA utilizando controladores del motor. Se presta mayor atención al documento US2003034793 que se refiere a un dispositivo y procedimiento para estimar la resistencia de un arrollamiento de estator en un motor de inducción CA. El dispositivo incluye un circuito de inducción CA que conecta una fase de motor de inducción CA a una fuente de tensión CA. El circuito comprende una resistencia y un conmutador conectados en paralelo. El conmutador es cerrado de manera alternativa durante los medios ciclos de la corriente CA suministrada al motor a efectos de inyectar un voltaje CC y corriente de polarización al motor CA. La resistencia del arrollamiento del estator es estimada como respuesta al voltaje CC y a la corriente de polarización.

Otra utilización conocida para la resistencia de arrollamiento del estator estimada es para la determinación de la temperatura del arrollamiento del estator, que se puede utilizar para la protección térmica del motor. La protección térmica es un aspecto importante en la monitorización de las condiciones del motor dado que la solicitación térmica en el arrollamiento del estator se considera que es una de las razones principales de fallo del aislamiento del estator. Se supone habitualmente que la vida del motor se reduce en 50% para cada 10ºC de aumento de la temperatura por encima del límite de temperatura del arrollamiento de estator aceptable. Por lo tanto, una monitorización precisa de la temperatura del arrollamiento del estator es beneficiosa para la protección del motor.

Se han propuesto varios procedimientos para la determinación de la temperatura del arrollamiento de estator para estimar las temperaturas de arrollamiento promedio a partir de las resistencias del arrollamiento del estator. A lo largo de los años, se han propuesto diferentes procedimientos de estimación de la resistencia del arrollamiento del estator para diferentes finalidades. De modo general, se dividen en tres categorías principales: procedimientos de medición directa, procedimientos basados en circuito equivalente, y procedimientos basados en inyección de señal. Los procedimientos directos, tales como la norma IEEE 118, facilitan las estimaciones de resistencia del estator más exactas pero tienen limitaciones e inconvenientes debido al hecho de que la resistencia se mide solamente a cierta temperatura y las variaciones de la resistencia debidas a los cambios de temperatura no se toman en consideración. Otro inconveniente de los procedimientos de medición directa es que el motor tiene que ser desconectado del servicio para llevar a cabo las pruebas necesarias.

Los procedimientos basados en circuito equivalente de estimación de Rs utilizan la corriente y voltaje del motor para calcular la resistencia del estator basándose en un circuito equivalente de motor CA (es decir, un modelo del motor CA) . Estos procedimientos basados en un modelo no son intrusivos y pueden responder a cambios en las condiciones de refrigeración, pero en general son poco sensibles a variaciones de los parámetros del motor para proporcionar una estimación exacta de Rs, debido al hecho de que los parámetros del motor pueden variar bajo diferentes condiciones, tales como velocidad de funcionamiento, saturación magnética, etc., es decir, el error de estimación de los procedimientos basados en un modelo puede ser superior al 20%. La variación del parámetro térmico y la dificultad de identificación del parámetro térmico pueden conducir a otras inexactitudes en los procedimientos basados en un modelo.

Los procedimientos basados en la inyección de señal para determinar la resistencia del estator inyectan una corriente CC en el voltaje de alimentación del estator y utilizan el componente CC del voltaje y la corriente para calcular la resistencia del estator. En un procedimiento de inyección de señal CC, una resistencia en paralelo con un transistor es instalada en una fase del motor, lo que conduce a una resistencia equivalente en el motor de inducción que es distinta cuando la corriente de entrada es positiva y negativa, produciendo de esta manera una componente CC. Si bien este enfoque puede ser exacto y adecuado para las variaciones de las condiciones de refrigeración y a los parámetros del motor, adolece de su naturaleza intrusiva, dado que un circuito de inyección de señal CC extra necesita ser instalado en serie con uno de los conductores del motor. De manera adicional, debido a los límites de corriente de dispositivos semiconductores, los procedimientos anteriores basados en inyección de señal no pueden ser aplicados en general de manera directa a motores más allá de 100 hp.

Por lo tanto, sería deseable diseñar un procedimiento preciso, no intrusivo, para determinar la resistencia del arrollamiento del estator. Además, sería deseable utilizar un dispositivo existente para inyectar el componente CC para determinar la resistencia del estator y, de acuerdo con ello, estimar la temperatura del arrollamiento del estator.

De acuerdo con la presente invención, se da a conocer un sistema para estimar la resistencia de un arrollamiento de estator de motor CA, tal como se indica en la reivindicación 1, y un procedimiento para determinar la resistencia de un arrollamiento de estator en un motor CA, tal como se indica en la reivindicación 11. Se dan a conocer realizaciones preferentes de la invención en las reivindicaciones dependientes.

La presente invención da a conocer un sistema y procedimiento para la determinación de la resistencia del arrollamiento del estator de motores CA a través de un dispositivo de control del motor. La determinación de la resistencia de arrollamiento del estator facilita la protección térmica de motores CA, un mejor control del motor y la monitorización del estado de los motores de CA.

De acuerdo con un aspecto de la invención, un sistema para estimar la resistencia del arrollamiento del estator de un motor CA incluye un controlador de motor CA que tiene una entrada conectable a una fuente de CA y una salida conectable a un terminal de entrada de un motor CA. El controlador del motor CA comprende, además, un convertidor de modulación de amplitud de impulso (PWM) que tiene una serie de conmutadores para controlar el flujo de la corriente y voltajes de terminal en el motor CA y un sistema de control conectado al convertidor PWM. El sistema de control está configurado para generar una señal de instrucción para hacer que el convertidor PWM controle una salida del controlador del motor CA correspondiente... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Sistema para la estimación de la resistencia de un arrollamiento de estator de un motor de corriente alterna (CA) , cuyo sistema comprende:

un controlador (10) de motor CA que tiene una entrada conectable a una fuente CA y una salida conectable a un terminal de entrada de un motor CA, comprendiendo el controlado (10) del motor CA:

un convertidor (24) de modulación de amplitud de impulso (PWM) que tiene una serie de conmutadores para controlar flujo de corriente y voltajes de terminales en el motor CA; y un sistema de control (28) conectado al convertidor PWM (24) y configurado para:

generar una señal de instrucción para hacer que el convertidor PWM (24) controle una salida del controlador del motor CA (10) correspondiente con la entrada del motor CA; generar selectivamente una señal de instrucción modificada para hacer que el convertidor PWM (24) inyecte una señal CC en la salida del controlador (10) del motor CA con la amplitud de la señal CC inyectada ajustada, de manera que las pulsaciones de par en el motor CA provocadas por la señal CC inyectada se mantienen dentro de un rango de tolerancia predeterminado; y determinar la resistencia de arrollamiento del estator de un motor CA basado en la señal CC de, como mínimo, uno de dichos voltaje y corriente.

2. Sistema, según la reivindicación 1, en el que el sistema de control (28) está configurado adicionalmente para:

generar una señal de control de voltaje CC; combinar la señal de control del voltaje CC con una señal de control de voltaje CA para formar la señal de control modificada.

3. Sistema, según la reivindicación 1, en el que el sistema de control (28) está configurado adicionalmente para:

generar una señal de instrucción de corriente CC; combinar la señal de control del corriente CC con una señal de control de corriente CA correspondiente para formar la señal de instrucción modificada.

4. Sistema, según la reivindicación 1, en el que el sistema de control (28) está configurado además para determinar la temperatura del arrollamiento del estator basándose en la resistencia determinada del estator en tiempo real, mientras el motor CA se encuentra en funcionamiento.

5. Sistema, según la reivindicación 1, en el que el sistema de control (28) está configurado para determinar un modelo de conmutación para la serie de conmutadores en el convertidor PWM (24) basándose en la señal de instrucción modificada, provocando de esta manera inyección de la señal CC, como mínimo, en una fase del motor CA.

6. Sistema, según la reivindicación 5, en el que el sistema de control (28) está configurado para determinar un esquema de control de modulación detector en el espacio (SVM) para proporcionar el modelo de conmutación para la serie de conmutadores del convertidor PWM (24) .

7. Sistema, según la reivindicación 5, que comprende además sensores de voltaje y corriente, y en el que el sistema de control determina la amplitud de la señal CC a partir del voltaje línea a línea y corriente de fase resultantes de una alteración provocada por el modelo de conmutación.

8. Sistema, según la reivindicación 5, que comprende además sensores de corriente, y en el que el sistema de control (28) determina la amplitud de la señal CC a partir de la corriente de fase resultante de una alteración provocada por el modelo de conmutación.

9. Sistema, según la reivindicación 1, en el que el sistema de control (28) está configurado para:

generar periódicamente la señal de instrucción modificada en momentos de tiempo predeterminados durante el funcionamiento del motor; y medir la señal CC inyectada en cada uno de los momentos de tiempo predefinidos.

10. Sistema, según la reivindicación 1, en el que el sistema de control (28) está configurado para:

descomponer las pulsaciones de par en el motor CA en componentes en múltiplos de la frecuencia fundamental; y analizar los componentes de las pulsaciones de par y su correlación con la señal CC inyectada utilizando teoría de análisis de secuencia en el marco de referencia d-q.

11. Procedimiento para la determinación de la resistencia de un arrollamiento del estator del motor CA, que comprende:

disponer un controlador de motor CA (10) en serie entre una fuente de potencia CA y el motor CA, comprendiendo el controlador de motor CA (10) un convertidor (24) de modulación de amplitud de impulso (PWM) para acondicionar el voltaje y la corriente al motor CA; haciendo funcionar selectivamente el controlador del motor CA en una modalidad estándar y una modalidad de inyección CC, de manera que el funcionamiento del controlador de motor CA (10) en la modalidad de inyección CC comprende:

análisis de las pulsaciones de par del motor CA; añadir una instrucción CC, como mínimo, a una de una instrucción de voltaje CA y una instrucción de corriente CA basándose en el análisis de las pulsaciones de par del motor CA, y formando de esta manera una instrucción compuesta, con la instrucción CC añadida configurada para mantener las pulsaciones de par en el motor CA dentro de un rango de tolerancia predeterminado; generar un modelo de conmutación para el convertidor PWM (24) basado en la instrucción compuesta; hacer funcionar el convertidor PWM (24) de acuerdo con el modelo de conmutación para introducir una señal CC en el voltaje y corriente del motor CA; medir la señal CC en, como mínimo, uno de dichos voltaje y corriente proporcionados al motor CA; y determinar la resistencia del arrollamiento del estator basándose en la señal CC medida.

12. Procedimiento, según la reivindicación 11, en el que la añadidura de la instrucción CC comprende la añadidura de una de dicha señal de instrucción de voltaje CC y señal de instrucción de corriente CC.

13. Procedimiento, según la reivindicación 11, en el que la generación del modelo de conmutación comprende la generación de un esquema de control del vector de espacio para el convertidor PWM (24) .

14. Procedimiento, según la reivindicación 11, en el que la determinación de la resistencia del arrollamiento de estator comprende la determinación de la resistencia del arrollamiento de estator basándose en la señal CC medida en la corriente proporcionada al motor CA o basándose en la señal CC medida en cada uno de dichos voltaje y corriente proporcionados al motor CA.

15. Procedimiento, según la reivindicación 11, que comprende además:

descomposición de las pulsaciones de par en el motor CA en componentes, en múltiplos de la frecuencia fundamental; y analizar los componentes de las pulsaciones de par y su correlación con la señal CC introducida utilizando teoría de análisis de frecuencia en el marco de referencia d-q.


 

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