ES2367494A1 - Aparato para controlar un inversor. - Google Patents
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Abstract
Aparato para controlar un inversor.Se describe el aparato para controlar un inversor, el cual detecta un ángulo de rotación de una carga utilizando una corriente suministrada a la carga cuando el inversor utiliza un control de tensión / frecuencia para controlar el accionamiento de la carga, y acciona de forma precisa la carga utilizando el ángulo de rotación detectado, de tal modo que la corriente suministrada a la carga por el inversor es detectada por un sensor de corriente, y se estima una velocidad de rotación de la carga por el detector de corriente para ser utilizada para el accionamiento de la carga.
Description
Aparato para controlar un inversor.
La presente Solicitud está basada en, y
reivindica la prioridad de, la Solicitud de Patente coreana número
10-2007-0139818, cuya descripción se
incorpora aquí en su totalidad como referencia.
La presente descripción se refiere a un aparato
para control un inversor y, más particularmente, a un aparato para
controlar un inversor, que es capaz de detectar un ángulo de
rotación de una carga cuando se controla la carga utilizando un
método de control de tensión/frecuencia, y controlar la carga en
respuesta al ángulo de rotación detectado.
Un inversor es un circuito electrónico destinado
a convertir la corriente alterna (CA - "AC" ("alternating
current")) en corriente continua (CC - "DC" ("direct
current")), conmutar la tensión de CC obtenida por conversión
mediante el uso de elementos de conmutación tales como transistores
e IGBTs (transistores bipolares de puerta aislada - "Insulated
Gate Bipolar Transistors"), convertirla de nuevo en tensión
alterna, suministrar la tensión de CA obtenida por conversión a una
carga y accionar la carga. El inversor puede ajustar un espacio de
separación para conmutación existente en los elementos de
conmutación con el fin de permitir al usuario accionar la carga
utilizando la frecuencia deseada.
El inversor puede clasificarse en una unidad de
conversión, una unidad inversora y un controlador, de acuerdo con
sus funcionamientos respectivos.
La unidad de conversión puede incluir un
circuito rectificador trifásico y un circuito suavizador o de
desrizado, de tal modo que una tensión de CA trifásica es
rectificada por el circuito rectificador trifásico para su
conversión en una tensión pulsante, y la tensión pulsante es
suavizada o desrizada por el circuito suavizador para ser convertida
en una tensión de CC que tiene una cantidad relativamente baja de
pulsación u ondulación residual.
La unidad inversora sirve para conmutar la
tensión de CC obtenida por conversión por la unidad de conversión,
utilizando elementos de conmutación (por ejemplo, los transistores y
los IGBTs), y convertirla en una tensión de CA. La unidad inversora
suministra entonces la tensión de CA obtenida por conversión a una
carga y acciona la carga. Puede ajustarse una frecuencia de la
tensión de CA obtenida por conversión por la unidad inversora, en
respuesta a la velocidad de conmutación del elemento de
conmutación.
El controlador, que incluye un circuito
aritmético, un circuito de detección y un circuito de excitación,
puede llevar a cabo un control de conmutación de la unidad
inversora, un control de tensión de la unidad de conversión y
diversas operaciones para la función de protección.
La unidad inversora emplea un método de control
convencional de tensión/frecuencia a la hora de controlar una carga
accionada, sin detectar una velocidad de accionamiento de una carga
mediante el uso de un sensor de detección de velocidad, tal como un
codificador o un elemento similar. El método de control de
tensión/frecuencia puede ajustar una tensión suministrada a una
carga con el fin de accionar de forma controlable la carga
utilizando una frecuencia deseada por un usuario.
En el caso de que se produzca un fallo
momentáneo en la alimentación de energía en un estado en el que un
inversor acciona un motor eléctrico utilizando el método de control
de tensión/frecuencia, el motor eléctrico se hace funcionar en un
estado de marcha libre o en vacío. En el caso de que se restablezca
el suministro de potencia con el fin de permitir a un inversor
accionar de nuevo el motor eléctrico utilizando el método de control
de tensión/frecuencia en una situación en la que el motor eléctrico
es accionado en un estado de marcha libre o en vacío, el inversor
puede suministrar al motor eléctrico una tensión que no es
consistente con una velocidad de rotación del motor eléctrico en
curso o vigente en ese momento, por lo que es posible que fluya una
intensidad excesiva o sobre-intensidad al inversor,
que dañará el motor eléctrico.
De acuerdo con ello, existe la necesidad de
averiguar la velocidad del motor eléctrico con vistas a la
protección del motor eléctrico en caso de que se produzca un fallo
momentáneo en el suministro de potencia mientras el motor eléctrico
está siendo accionado por el método de control de
tensión/frecuencia.
La descripción está concebida para superar estos
problemas y se propone proporcionar un aparato para controlar un
inversor, capaz de detectar un ángulo de rotación de un motor
eléctrico con el fin de permitir al inversor accionar de forma
controlable y estable una carga utilizando el ángulo de rotación
detectado.
El aparato para controlar un inversor, de
acuerdo con la presente invención, está configurado de tal manera
que un sensor de corriente puede detectar una corriente suministrada
a una carga por el inversor, y la corriente detectada puede ser
convertida en una corriente circulante de una carga por medio de un
convertidor en corriente circulante. Puede estimarse un ángulo de
rotación de la carga por la corriente circulante obtenida por
conversión, y el error de ángulo de rotación estimado de la carga
puede integrarse y convertirse en una velocidad de rotación. La
velocidad de rotación puede integrarse de nuevo con el fin de
detectar un ángulo de rotación de la carga, de tal manera que el
ángulo de rotación detectado puede proporcionarse al inversor para
accionar la carga.
Según un aspecto general de la presente
invención, un aparato para controlar un inversor puede comprender:
un integrador, que integra una velocidad de error que se calcula
restando una velocidad deseada de una velocidad de objetivo; un
controlador de deceleración/aceleración, que genera la velocidad
deseada para accionar una carga en respuesta a una señal de salida
procedente del integrador; un convertidor de tensión/frecuencia, que
convierte la señal de salida procedente del controlador de
deceleración/aceleración en una tensión de accionamiento; un sensor
de corriente, que detecta una corriente suministrada a la carga; un
buscador de velocidad, que detecta un ángulo de rotación de la carga
utilizando la corriente detectada por el sensor de corriente; y una
unidad de conmutación de Modulación por Anchura de Impulsos (PWM -
"Pulse Width Modulation"), que acciona la carga en respuesta a
la tensión de accionamiento, obtenida por conversión por el
convertidor de tensión/frecuencia, y al ángulo de rotación de la
carga detectado por la velocidad deseada y el buscador de
velocidad.
Las implementaciones de este aspecto pueden
incluir una o más de las siguientes características.
El sensor de corriente puede ser un
transformador de corriente.
El buscador de velocidad puede comprender: un
convertidor en corriente circulante, que convierte una corriente
detectada por el sensor de corriente en una corriente circulante; y
un estimador de velocidad, que detecta un ángulo de rotación real de
la carga por la corriente circulante, obtenida por conversión por el
convertidor en corriente circulante, y suministra como salida el
ángulo de rotación real a la unidad de conmutación de PWM.
El estimador de velocidad puede comprender: un
estimador de ángulo de rotación, que estima un ángulo de rotación de
la carga utilizando la corriente circulante que se hace circular por
el convertidor en corriente circulante; un convertidor en velocidad,
que convierte el ángulo de rotación de la carga estimado por el
estimador de ángulo de rotación, en una velocidad de rotación de la
carga; un convertidor en ángulo de rotación, que convierte la
velocidad de rotación obtenida por conversión por el convertidor en
velocidad, en un ángulo de rotación real de la carga, y suministra
como salida el ángulo de rotación real obtenido por conversión a la
unidad de conmutación de PWM.
El convertidor en velocidad puede ser un
integrador que integra el error en el ángulo de rotación de la
carga, estimado por el estimador de ángulo de rotación, y convierte
el error del ángulo de rotación integrado en una velocidad de
rotación de la carga.
El convertidor en ángulo de rotación puede ser
un integrador que integra la velocidad de rotación, integrada por el
convertidor en velocidad, y convierte la velocidad de rotación
integrada en un ángulo de rotación de la carga.
En lo que sigue se describen en detalle
implementaciones de la presente descripción con referencia a los
dibujos que se acompañan. Se utilizan los mismos símbolos de
referencia en todos ellos para identificar los mismos elementos o
elementos correspondientes en los dibujos. El significado de los
términos o palabras concretas utilizadas en la memoria y en las
reivindicaciones no deberá verse limitado al sentido literal o
comúnmente empleado, sino que ha de interpretarse de acuerdo con el
espíritu y el ámbito de la invención.
La Figura 1 es un diagrama de bloques que
ilustra una construcción o estructura de un aparato convencional
para controlar un inversor utilizando un método de control de
tensión/frecuencia.
La Figura 2 es un gráfico que ilustra la
relación existente entre una tensión de estator de un motor
eléctrico, que es una carga cuando se controlan la tensión y la
frecuencia, y una velocidad deseada de la carga.
La Figura 3 es un diagrama de bloques que
ilustra la construcción o estructura de una implementación
proporcionada a modo de ejemplo de un aparato para controlar un
inversor.
La Figura 4 es un diagrama de bloques que
ilustra la construcción o estructura de una implementación
proporcionada a modo de ejemplo de un buscador de velocidad de un
aparato para controlar un inversor.
Las siguientes implementaciones proporcionadas a
modo de ejemplo que se describen aquí no deben interpretarse como
limitadoras de la presente descripción, ya que su propósito es
meramente ilustrativo de implementaciones particulares de la
descripción, tal y como se hace aquí posible. En aras de la
claridad, la materia técnica que es conocida en los campos técnicos
relacionados con la descripción, no se ha descrito en detalle, de
manera que la descripción no se oscurezca innecesariamente. Muchas
alternativas, modificaciones y variaciones serán evidentes para los
expertos de la técnica.
La Figura 1 es un diagrama de bloques que
ilustra una construcción o estructura de un aparato convencional
para controlar un inversor utilizando un método de control de
tensión/frecuencia, en el cual el número de referencia 100
representa un restador. El restador 100 sirve para restar una señal
de velocidad deseada de una señal de velocidad de objetivo con el
fin de calcular una señal de velocidad de error. La señal de
velocidad de error calculada por el restador 100 puede ser integrada
por un integrador 110 y suministrada como entrada a un controlador
de deceleración/aceleración 120.
El controlador de deceleración/aceleración 120
puede utilizar la señal suministrada como salida desde el integrador
110 para calcular una señal de velocidad deseada para accionar una
carga 150, y la señal de velocidad deseada, ya calculada, puede
suministrarse como entrada al restador 100 y utilizarse para
calcular la señal de velocidad de error.
La señal de velocidad deseada que se suministra
como salida por el controlador de deceleración/aceleración 120,
puede ser suministrada como entrada a un convertidor de
tensión/frecuencia 130 y a una unidad de conmutación de PWM
(Modulación por Anchura de Impulsos - "Pulse Width Modulation")
140. El convertidor de tensión/frecuencia 130 puede utilizar una
tabla de conversión de tensión/frecuencia previamente almacenada
para convertir una frecuencia de la velocidad deseada, suministrada
como entrada desde el controlador de deceleración/aceleración 120,
en una tensión de accionamiento, y suministrar como salida la
tensión de accionamiento obtenida por conversión a la unidad de
conmutación de PWM 140.
La unidad de conmutación de PWM 140 puede
controlar en PWM la carga 150 en respuesta a la tensión de
accionamiento suministrada como entrada desde el convertidor de
tensión/frecuencia 130, y a la velocidad deseada suministrada como
entrada desde el controlador de deceleración/aceleración 120, por lo
que la carga 150 es accionada a una velocidad de objetivo.
La unidad de conmutación de PWM 140 puede
controlar la tensión de accionamiento de la carga 150 y la velocidad
deseada al mismo tiempo, a fin de mantener un flujo magnético por el
espacio de separación de aire o entrehierro de la carga, a la
velocidad de objetivo, en un nivel o valor predeterminado.
En el gráfico que se ilustra en la Figura 2 se
muestra una relación existente entre la tensión de estator (Vs) de
un motor eléctrico y la velocidad deseada (\omega_{e}), en el
caso de que la carga sea el motor eléctrico. Es decir, si la carga
150 es el motor eléctrico, una tensión de estator del motor
eléctrico para el control de tensión/frecuencia del motor eléctrico,
puede calcularse por la siguiente Ecuación 1.
donde Vs es una tensión de estator
del motor eléctrico, \omega_{e} es una velocidad deseada, Rs es
una resistencia de estator del motor eléctrico, X_{ls} es una
reactancia de fugas e Is es una corriente de fase del motor
eléctrico. Si la \omega_{e} es lo suficientemente grande como
para escribirse como 100 , la Ecuación 1 se lee ahora
como
101 .
\vskip1.000000\baselineskip
De acuerdo con ello, si la unidad de conmutación
de PWM 140 acciona la carga 150 del motor eléctrico en la siguiente
Ecuación 2, puede mantenerse un flujo magnético de espacio de
separación de aire o entrehierro, _{m}, en un valor o magnitud
constante.
Si el flujo magnético en el entrehierro del
motor eléctrico se mantiene en el valor predeterminado, la unidad de
conmutación de PWM 140 puede controlar la tensión del motor
eléctrico en un valor predeterminado y aumentar una velocidad de
accionamiento, por lo que la carga 150 puede ser accionada la
velocidad deseada por el usuario.
Sin embargo, si se produce un fallo momentáneo
en el suministro de energía en el aparato anteriormente mencionado
para controlar un inversor, la energía se suministra a la vez que el
motor eléctrico puede hacerse funcionar en un estado de marcha libre
o en vacío, y si el inversor acciona el motor eléctrico de nuevo
según el método de control de tensión/frecuencia, la unidad de
conmutación de PWM 140 puede suministrar como salida una tensión que
no es consistente con la velocidad de rotación presente en ese
momento para el motor eléctrico, la cual es suministrada, a su vez,
al motor eléctrico, por lo que fluye una corriente en exceso o
sobre-intensidad a la unidad de conmutación de PWM,
140 y la unidad de conmutación de PWM 140, así como el motor
eléctrico, resultan dañados por una corriente inusitada.
La Figura 3 es un diagrama de bloques que
ilustra la construcción o estructura de una implementación de un
aparato para controlar un inversor.
Haciendo referencia a la Figura 3, el aparato
para controlar un inversor, que incluye un restador 100, un
integrador 110, un controlador de deceleración/aceleración 120, un
convertidor de tensión/frecuencia 130, una unidad de conmutación de
PWM 140 y una carga 150, puede comprender adicionalmente: un sensor
300 de corriente (por ejemplo, un transformador de corriente) para
detectar las corrientes (Ia, Ib, Ic) que se suministran a la carga
150 por la unidad de conmutación de PWM 140; y un buscador 310 de
velocidad, que busca una velocidad de rotación de la carga 150 por
medio de las corrientes (Ia, Ib, Ic) detectadas por el sensor 300 de
corriente, y suministra la velocidad de rotación buscada a la unidad
de conmutación de PWM 140.
A continuación, haciendo referencia a la Figura
4, el buscador 310 de velocidad puede incluir un convertidor 400 de
corriente circulante, que convierte las corrientes (Ia, Ib, Ic)
detectadas por el sensor 300 de corriente en corrientes circulantes
(Id, Iq), y un estimador 410 de velocidad, que detecta un ángulo de
rotación real de la carga 150 utilizando las corrientes circulantes
(Id, Iq), obtenidas por conversión por el convertidor 400 de
corrientes circulantes, y suministra como salida el ángulo de
rotación real a la unidad de conmutación de PWM 140.
El estimador 410 de velocidad puede incluir un
estimador 412 de ángulo de rotación, que estima un ángulo de
rotación de la carga 150 utilizando las corrientes circulantes (Id,
Iq), obtenidas por conversión por el convertidor 400 en corrientes
circulantes, un convertidor 414 en velocidad, que convierte el
ángulo de rotación de la carga 150, estimado el estimador 412 de
ángulo de rotación, en una velocidad de rotación de la carga 150, y
un convertidor 416 en ángulo de rotación, que convierte la velocidad
de rotación, obtenida por conversión por el convertidor 414 en
velocidad, en un ángulo de rotación real de la carga 150, y
suministra como salida el ángulo de rotación real de la carga 150 a
la unidad de conmutación de PWM 140.
El aparato para controlar un inversor,
configurado de acuerdo con la presente descripción, es tal, que si
la unidad de conmutación de PWM 140 suministra las corrientes (Ia,
Ib, Ic) a la carga 150 y acciona la carga 150, las corrientes (Ia,
Ib, Ic) suministradas a la carga 150 por la unidad de conmutación de
PWM 140 son detectadas por el sensor 300 de corriente y
suministradas como entrada al buscador 300 de velocidad.
Subsiguientemente, las corrientes circulantes (Id, Iq) pueden ser
calculadas utilizando las corrientes (Ia, Ib, Ic) suministradas como
entrada por el convertidor 400 en corriente circulante del buscador
310 de velocidad. Las corrientes circulantes (Id, Iq) pueden ser
calculadas, por ejemplo, mediante las siguientes Ecuaciones 3 y
4.
Una vez que se han calculado las corrientes
circulantes (Id, Iq), el estimador 412 de ángulo de rotación del
estimador 410 de velocidad puede utilizar las corrientes circulantes
(Id, Iq) para estimar un ángulo de rotación de la carga 150. A
continuación se describirá en detalle la estimación del ángulo de
rotación de la carga 150.
En general, una pluralidad de elementos de
conmutación dispuesta en la unidad de conmutación de PWM trifásica
140, incluye un diodo semiconductor de potencia y un diodo
anti-paralelo. Si cada una de las tres fases está
fijada por una tensión de salida de PWM, el motor eléctrico que
constituye sustancialmente la carga 150 se cortocircuita. En este
momento, se genera una tensión inducida debido al flujo magnético
residual en un núcleo de rotor del motor eléctrico. La tensión
inducida genera una corriente circulante entre la unidad de
conmutación de PWM 140 y la carga 150, de tal manera que la
corriente circulante generada puede incluir componentes de
frecuencia. La corriente circulante puede ser expresada mediante
las funciones trigonométricas de las siguientes Ecuaciones 5 y
6.
En consecuencia, el ángulo de la carga 150 puede
obtenerse de acuerdo con la siguiente Ecuación 7, utilizando la
propiedad aditiva del orden de la función trigonométrica.
donde \hat{\theta} es un ángulo
de rotación
estimado.
\vskip1.000000\baselineskip
Si se estima el ángulo de rotación de la carga
150, el convertidor 414 en velocidad puede convertir el ángulo de
rotación estimado en una velocidad de rotación de la carga 150. Por
ejemplo, el convertidor 414 en velocidad, como integrador, integra
el error del ángulo de rotación de la carga 150 estimado por el
estimador 412 de ángulo de rotación, y el error del ángulo de
rotación integrado de la carga 150 se convierte en una velocidad de
rotación de la carga 150.
La velocidad de rotación, obtenida por
conversión, de la carga 150 se convierte en el ángulo de rotación de
la carga 150, que se proporcionará a la unidad de conmutación de PWM
140. Por ejemplo, el convertidor 416 en ángulo de rotación, como
integrador, integra la velocidad de rotación de la carga 150 y
convierte la velocidad de rotación integrada en un ángulo de
rotación de la carga 150, proporciona el ángulo de rotación,
obtenido por conversión, de la carga 150 a la unidad de conmutación
de PWM 140, de tal modo que la unidad de conmutación de PWM 140
controla el accionamiento de la carga 150 en respuesta al ángulo de
rotación de la carga 150.
Si bien la presente divulgación se ha descrito
aquí con referencia a implementaciones ilustrativas para
aplicaciones particulares, ha de comprenderse que la divulgación no
está limitada por ellas. Las personas que tienen conocimientos
ordinarios en la técnica y acceso a las enseñanzas aquí
proporcionadas constatarán modificaciones, aplicaciones e
implementaciones adicionales dentro del ámbito de las mismas y en
los campos adicionales en los que la presente divulgación sea de
utilidad significativa. El ámbito de la divulgación está únicamente
limitado por las reivindicaciones y por los equivalentes de las
mismas.
Claims (5)
1. Un aparato para controlar un inversor, que
comprende: un integrador, que integra una velocidad de error que se
calcula restando una velocidad deseada de una velocidad de objetivo;
un controlador de deceleración/aceleración, que genera la velocidad
deseada para accionar una carga en respuesta a una señal de salida
procedente del integrador; un convertidor de tensión/frecuencia, que
convierte la señal de salida procedente del controlador de
deceleración/aceleración en una tensión de accionamiento; un sensor
de corriente, que detecta una corriente suministrada a la carga; un
buscador de velocidad, que detecta un ángulo de rotación de la carga
utilizando la corriente detectada por el sensor de corriente; y una
unidad de conmutación de Modulación por Anchura de Impulsos (PWM),
que acciona la carga en respuesta a la tensión de accionamiento,
obtenida por conversión por el convertidor de tensión/frecuencia, y
al ángulo de rotación de la carga detectado por la velocidad deseada
y el buscador de velocidad.
2. El aparato de acuerdo con la reivindicación
1, en el cual el sensor de corriente es un transformador de
corriente.
3. El aparato de acuerdo con la reivindicación
1, en el cual el buscador de velocidad comprende: un convertidor en
corriente circulante, que convierte una corriente detectada por el
sensor de corriente en una corriente circulante; y un estimador de
velocidad, que detecta un ángulo de rotación real de la carga
mediante la corriente circulante, obtenida por conversión por el
convertidor en corriente circulante, y suministra como salida el
ángulo de rotación real a la unidad de conmutación de PWM.
4. El aparato de acuerdo con la reivindicación
3, en el cual el estimador de velocidad comprende: un estimador de
ángulo de rotación, que estima un ángulo de rotación de la carga
utilizando la corriente circulante que se hace circular por el
convertidor en corriente circulante; un convertidor en velocidad,
que convierte el ángulo de rotación de la carga estimado por el
estimador de ángulo de rotación en una velocidad de rotación de la
carga utilizando el ángulo de rotación de la carga estimado por el
estimador de ángulo de rotación; un convertidor en ángulo de
rotación, que convierte la velocidad de rotación obtenida por
conversión por el convertidor en velocidad, en un ángulo de rotación
real de la carga, y suministra como salida el ángulo de rotación
real obtenido por conversión, a la unidad de conmutación de PWM.
5. El aparato de acuerdo con la reivindicación
4, en el cual el convertidor en ángulo de rotación es un integrador
que integra la velocidad de rotación integrada por el convertidor en
velocidad, y convierte la velocidad de rotación integrada en un
ángulo de rotación de la carga.
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2367494 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20120912 |