Control de una máquina eléctrica giratoria.

Procedimiento para el funcionamiento de una máquina eléctrica giratoria (1),

en el que la máquina eléctricagiratoria es alimentada por un convertidor (2) desde un circuito de tensión continua a través de al menos una fase (u,v, w) con corriente eléctrica y el convertidor está realizado para conmutar al menos una fase sobre al menos dosniveles de la tensión, comprendiendo el procedimiento las etapas:

generación de secuencias de conmutación, comprendiendo cada secuencia de conmutación una secuenciade transiciones de conmutación del convertidor con una primera transición de conmutación;

evaluación de cada una de las secuencias de conmutación con un valor de calidad (S20);

selección de la secuencia de conmutación con un valor mínimo de calidad (S22);

activación de los elementos de conmutación del convertidor con la primera transición de conmutación de lasecuencia de conmutación seleccionada como transición de conmutación seleccionada, de manera que almenos se conmuta una fase a un nivel de la tensión que corresponde a la transición de conmutación;en el que las secuencias de conmutación son generadas de la siguiente manera:

a) generación de una secuencia de conmutación más larga a partir de una secuencia deconmutación más corta, colgando (S14) en la secuencia de conmutación más corta al menosuna transición de conmutación posible e inicializando (S10) una primera secuencia deconmutación con una transición de conmutación seleccionada previamente;

b) cálculo de magnitudes de partida de la máquina eléctrica para la secuencia de conmutaciónmás larga, sobre la base de las transiciones de conmutación de la secuencia de conmutaciónmás larga (S14);

c) desecho de la secuencia de conmutación más larga, en el caso de que las magnitudes departida calculadas no estén dentro de límites previamente definidos y/o las magnitudes departida calculadas se alejen (S16) de un límite previamente definido a medida que transcurreel tiempo;

generación iterativa de otras secuencias de conmutación a partir de la secuencia de conmutación nodesechada según las etapas (a) a (c) (S12 a S18),

estando caracterizado el procedimiento por el cálculo de un límite inferior para calores de calidad sobre la base devalores de calidad ya calculados de secuencias de conmutación completas; y el desecho de secuencias deconmutación, cuyo valor de calidad exceda el límite inferior para valores de calidad.

Control de una máquina eléctrica giratoria Campo de la invención Esta invención se refiere al campo de los procedimientos de funcionamiento de máquinas eléctricas giratorias. En particular, la invención se refiere a un procedimiento para el funcionamiento de una máquina eléctrica giratoria, a un control para un convertidor eléctrico, a un sistema de motor, a un programa de ordenador y a un medio legible por ordenador.

Antecedentes de la invención El control directo del par motor (Direct Torque Control DTC) es un procedimiento para el control del par motor y del flujo electromagnético en máquinas electromagnéticas giratorias y motores, en particular en la zona de la tensión media. Un ejemplo típico de un control de este tipo se puede encontrar, por ejemplo, en el accionamiento del ACS 6000 de ABB. A través de los últimos 10 años, el DTC ha mostrado una alta fiabilidad, robustez y capacidad de potencia.

Sin embargo, las pérdidas de conmutación, que se producen a través de la conmutación de semiconductores a través del control y que representan una gran parte o incluso la parte principal de la pérdida general del accionamiento, en el DTC pueden ser considerables. Por lo tanto, se buscan caminos para reducir estas pérdidas de conmutación. Se sabe que se puede conseguir una reducción de este tipo de pérdidas de conmutación a través del llamado control directo de par motor predecible con modelo (Model Predictive Direct Torque Control, MPDTC) , que se puede basar en un modelo (matemático) del accionamiento. Los documentos US 7.256.561 y EP 1 670 135 describen un procedimiento de este tipo.

Además de la reducción al mínimo de las pérdidas de conmutación de convertidores, el DTC y el MPDTC se pueden utilizar también para mantener las tres variables de partida o bien magnitudes de partida de la máquina eléctrica giratoria, a saber, el par motor electromagnético, la magnitud del flujo del estator y el potencial de punto neutro o bien potenciales del punto neutro, dentro de límites (de histéresis) predeterminadas.

El MPDTC se basa en un algoritmo de control, que puede comprender un modelo matemático, que está adaptado al convertidor a conectar y a la máquina o bien motor conectados en él. En este caso, se listan especialmente las secuencias de conmutación admisibles del convertidor sobre un horizonte de conmutación determinado y se calculan las trayectorias correspondientes del par motor, del flujo del estator y de los potenciales del punto medio del circuito intermedio utilizando un modelo interno del convertidor y de la máquina. Existen también convertidores con más de un punto neutro. También existen convertidores, que presentan otras magnitudes, que deben regularse en determinadas circunstancias, hasta que se ha alcanzado un límite para las magnitudes de partida respectivas. Las secuencias de conmutación admisibles se evalúan con la ayuda de un criterio de calidad previsto. Este criterio de calidad reproduce, por ejemplo, las pérdidas de conmutación o la frecuencia de conmutación del convertidor. En una última etapa se determina una secuencia de conmutación óptima, que reduce al mínimo este criterio de calidad, por lo tanto, por ejemplo, prepara pérdidas de conmutación mínimas o una frecuencia de conmutación mínima. Las etapas que se acaban de mencionar se realizan, en general, en cada ciclo de control y de la secuencia de conmutación óptima se utiliza solamente la primera etapa (es decir, la primera transición de conmutación o bien estado de conmutación) para el control de los semiconductores de potencia del convertidor.

Además, el MPDTC ha sido descrito en las siguientes publicaciones:

-"Model Predictive Direct Torque Control of a variable speed drive with a five-level inverter" INDUSTRIAL

ELECTRONICS, 2009. IECON ’09. 35th Annual Conference of IEEE, IEEE, Piscataway, NJ, USA, 3 de Noviembre de 2009, páginas 1203-1208, ISBN: 978-1-4244-4648-3

-"Generalized Model Predictive Direct Torque Control: Long prediction horizons and minimization of

switching losses" DECISION AND CONTROL, 2009 held jointly with the 2009 28th Chinese Control

Conference. CDC/CCC 2009. Proceedings of the 48th IEEE conference on, IEEE, Piscataway, NJ, USA, 15

de Diciembre de 2009, páginas 6799-6804, ISBN: 978-1-4244-3871-6

-"Model Predictive Direct Torque Control Part I: Concept, Algorithm, and Anaysis" IEEE Transactions on

Industrial Electronics, IEEE Service Center, Piscataway, NJ, USA, Col. 56, Nr. 6, 1 de Junio 2009, páginas 1894-1905, ISSN: 0278-0046.

Resumen de la invención Una reducción de las pérdidas de conmutación puede proporcionar una reducción significativa de los costes de funcionamiento del accionamiento. Además, una reducción de este tipo de las pérdidas de conmutación puede conducir a un sistema más robusto y más fiable y a la ampliación del campo de aplicación de TC, puesto que la reducción de las pérdidas de conmutación permite accionar el mismo equipo con potencia más elevada.

El cometido de la invención es preparar accionamientos eléctricos con costes de funcionamiento reducidos y potencia elevada.

Este cometido se soluciona a través del objeto de las reivindicaciones independientes. Otras formas de realización de la invención se deducen a partir de las reivindicaciones dependientes.

Un primer aspecto de la invención se refiere a un procedimiento para el funcionamiento de una máquina eléctrica giratoria.

De acuerdo con una forma de realización de la invención, la máquina eléctrica giratoria es alimentada con corriente eléctrica por un convertidor desde un circuito de tensión continua a través de al menos una fase. El convertidor está realizado para conmutar la al menos una fase al menos a dos niveles de la tensión.

La máquina eléctrica giratoria puede ser un motor eléctrico o un accionamiento eléctrico, que puede comprender el motor eléctrico y el convertidor. La máquina eléctrica giratoria puede comprender el convertidor y/o un control. En general, una máquina eléctrica giratoria comprende tres fases (corriente trifásica) . Pero también es posible que estén presentes solamente una fase o una pluralidad de fases.

De acuerdo con una forma de realización de la invención, el procedimiento comprende las etapas: generación de secuencias de conmutación, en la que cada secuencia de conmutación comprende una secuencia de transiciones de conmutación del convertidor con una primera transición de conmutación; evaluación de cada una de las secuencias de conmutación con un valor de calidad; selección de la secuencia de conmutación con un valor de calidad mínimo; activación de los elementos de conmutación del convertidor con la primera transición de conmutación de la secuencia de conmutación seleccionada como transición de conmutación seleccionada, de manera que al menos una fase es conmutada a un nivel de la tensión correspondiente a la transición de conmutación.

Una transición de conmutación se puede definir en este caso a través de estados de conmutación de los estados de conmutación individuales. Por ejemplo, una transición de conmutación comprende una combinación de estados de conmutación de elementos de conmutación del convertidor. Los elementos de conmutación del convertidor pueden ser semiconductores, por ejemplo tiristores, IGCTs, o IGBTs.

Una secuencia de conmutación puede ser, por ejemplo, un vector U = [u (k) , u (k+1) , ... , u (k+N-1) ], en el que las transiciones de conmutación están definidas con combinación del estado de conmutación u. u contiene para cada elemento de conmutación a controlar un elemento de estado de conmutación, que describe el estado deconmutación, es decir, por ejemplo 1, 0 ó -1. Éstas pueden ser las posiciones del conmutador.

De acuerdo con una forma de realización de la invención, las secuencias de conmutación son generadas de la siguiente manera: (a) generación de una secuencia de conmutación más larga a partir de una secuencia de conmutación más corta, colgando en la secuencia de conmutación más corta al menos una transición de conmutación posible para generar una secuencia de conmutación más larga; (b) cálculo de magnitudes de partida de la máquina eléctrica, del convertidor y/o del accionamiento para la secuencia de conmutación más larga, sobre la base de las transiciones de conmutación de la secuencia de conmutación más larga; (c) desecho de la secuencia de conmutación más larga, en el caso de que las magnitudes de partida (o bien al menos una magnitud de partida) calculadas no estén dentro de límites previamente definidos y/o las magnitudes de partida calculadas se alejen de un límite previamente definido a medida... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para el funcionamiento de una máquina eléctrica giratoria (1) , en el que la máquina eléctrica giratoria es alimentada por un convertidor (2) desde un circuito de tensión continua a través de al menos una fase (u, v, w) con corriente eléctrica y el convertidor está realizado para conmutar al menos una fase sobre al menos dos niveles de la tensión, comprendiendo el procedimiento las etapas:

generación de secuencias de conmutación, comprendiendo cada secuencia de conmutación una secuencia de transiciones de conmutación del convertidor con una primera transición de conmutación; evaluación de cada una de las secuencias de conmutación con un valor de calidad (S20) ; selección de la secuencia de conmutación con un valor mínimo de calidad (S22) ; activación de los elementos de conmutación del convertidor con la primera transición de conmutación de la secuencia de conmutación seleccionada como transición de conmutación seleccionada, de manera que al menos se conmuta una fase a un nivel de la tensión que corresponde a la transición de conmutación; en el que las secuencias de conmutación son generadas de la siguiente manera:

a) generación de una secuencia de conmutación más larga a partir de una secuencia de conmutación más corta, colgando (S14) en la secuencia de conmutación más corta al menos una transición de conmutación posible e inicializando (S10) una primera secuencia de conmutación con una transición de conmutación seleccionada previamente;

b) cálculo de magnitudes de partida de la máquina eléctrica para la secuencia de conmutación más larga, sobre la base de las transiciones de conmutación de la secuencia de conmutación más larga (S14) ;

c) desecho de la secuencia de conmutación más larga, en el caso de que las magnitudes de partida calculadas no estén dentro de límites previamente definidos y/o las magnitudes de partida calculadas se alejen (S16) de un límite previamente definido a medida que transcurre el tiempo;

generación iterativa de otras secuencias de conmutación a partir de la secuencia de conmutación no desechada según las etapas (a) a (c) (S12 a S18) ,

estando caracterizado el procedimiento por el cálculo de un límite inferior para calores de calidad sobre la base de valores de calidad ya calculados de secuencias de conmutación completas; y el desecho de secuencias de conmutación, cuyo valor de calidad exceda el límite inferior para valores de calidad.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el valor de calidad se basa en las pérdidas de conmutación previsibles del convertidor o de la frecuencia de conmutación previsible del convertidor en la secuencia de conmutación respectiva.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que las secuencias de conmutación contienen elementos de pausa en la secuencia de las transiciones de conmutación, definiendo un elemento de pausa una pasa de conmutación después de una transición de conmutación; en el que la pausa de conmutación se calcula a través del cálculo de magnitudes de partida; en el que el cálculo de magnitudes de partida se basa en un modelo matemático de la máquina eléctrica giratoria o en una aproximación.

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, que comprende, además, la generación de una secuencia de conmutación a partir de transiciones de conmutación y elementos de pausa sobre la base de un horizonte de conmutación general, que define en qué secuencia se añaden transiciones de conmutación y elementos de pausa en la secuencia de conmutación.

5. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que durante el cálculo de magnitudes de partida se calcula en qué instante en el futuro una trayectoria de una magnitud de partida encuentra un límite superior o inferior previamente definido.

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, en el que el cálculo del instante se realiza analíticamente, utilizando un procedimiento de optimización para el cálculo de puntos de anulación, a través de aproximación de función trigonométrica a través de series de Taylor y/o a través de aproximación de función trigonométrica a través de funciones polinomiales unitarias.

7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5 ó 6, en el que la resistencia de flujo del estator entra en el cálculo durante el cálculo del instante.

8. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que el cálculo de trayectorias de magnitudes de partida se basa en un modelo matemático de la máquina giratoria y en una interpolación; en el que las magnitudes de partida se interpolan en un intervalo de tiempo, que comprende un número predeterminado de etapas discretas de tiempo; en el que en el intervalo para al menos tres instantes se calculan las magnitudes de partida con el modelo matemático.

9. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, calcular un valor de calidad para la secuencia de conmutación de la longitud n durante la iteración.

10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además, calcular el valor de calidad 5 utilizando el límite superior para una longitud esperada máxima de una secuencia de conmutación.

11. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que se calcula en primer lugar el valor de calidad de una secuencia de conmutación prometedora; en el que la secuencia de conmutación prometedora se basa en al menos una de:

una secuencia de conmutación óptima de un ciclo de control precedente, 10 una secuencia de conmutación óptima, que ha sido calculada en una etapa de optimización precedente con un horizonte de conmutación más corto que un horizontal de conmutación actual.

12. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que se calcula una secuencia de conmutación a investigar con prioridad máxima, en el que durante la iteración siguiente se investiga la secuencia de conmutación con máxima prioridad.

13. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 12, en el que la fijación de la prioridad se realiza con la ayuda de al menos una de las siguientes reglas:

fijación de la prioridad de secuencias de conmutación para las que existe una probabilidad más elevada de que conduzcan a un valor límite bajo; fijación de la prioridad de secuencias de conmutación para las que existe una probabilidad más elevada de que mantengan las magnitudes de partida dentro de límites previamente definidos y/o las magnitudes de partida se aproximen a los límites previamente definidos a medida que aumenta el tiempo; fijación de prioridad de secuencias de conmutación, para las que es previsible, en virtud de una estimación, que conduzcan a pausas de conmutación largas sin transiciones de conmutación; fijación de prioridad de secuencias de conmutación con la ayuda de sus valores de calidad;

fijación de prioridad de secuencias de conmutación con la ayuda de su longitud.

14. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, terminar la generación de secuencias de conmutación cuando todas las secuencias de conmutación han sido generadas hasta una longitud predeterminada.

15. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, terminar la 30 generación de secuencias de conmutación cuando se ha alcanzado un límite superior para el número de las secuencias de conmutación generadas o ha concluido el tiempo de cálculo disponible.

16. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, terminar la generación de secuencias de conmutación cuando se ha calculado una secuencia de conmutación, cuyo valor de calidad excede un límite inferior para valores de calidad en menos de un porcentaje definido.

17. Control (10) para un convertidor eléctrico (2) , que está realizado para ejecutar el procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 16.

18. Sistema de motor, que comprende: una máquina eléctrica giratoria (1) ; un convertidor eléctrico (2) con un control (10) de acuerdo con la reivindicación 17, que está realizado para alimentar corriente a la máquina eléctrica giratoria (1) .

19. Programa de ordenador que, cuando es ejecutado en un procesador (16) , instruye al procesador a ejecutar las etapas del procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6.

20. Medio legible por ordenador, en el que está memorizado un programa de ordenador que, cuando es ejecutado en un procesador (16) , instruye al procesador a ejecutar las etapas del procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 16.