Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO PARA A DETERMINAÇÃO DO CONJUGADO DE UMA MÁQUINA DE IN- DUÇÃO E DISPOSITIVO PARA REALIZAÇÃO DO PROCESSO".
A presente invenção refere-se a um processo para determinar o conjugado de uma máquina de indução, sendo que das tensões nos bornes do estator e das correntes de bornes de estator é determinado, por meio de integração e sucessivo filtro passa-alta, um vetor espacial filtrado e, portanto, livre de componente de corrente contínua do fluxo do estator concatenado. Além disto, a presente invenção refere-se a um dispositivo correspondente para a realização do processo, com um dispositivo de medição para a de- terminação das tensões nos bornes do estator e das correntes nos bornes do estator e com um dispositivo de cálculo para a determinação de um vetor espacial filtrado do fluxo de estator concatenado.
Para tarefas de acionamento com máquinas de indução é impor- tante conhecer o conjugado desenvolvido pela máquina de indução, uma vez que somente com tal conhecimento torna-se possível uma regulação dire- cionada do conjugado da máquina de indução. Da DE 42 29 554 C2 e da JP 56-79223 A, por exemplo, são conhecidos dispositivos do conjugado em tais máquinas de indução, sendo que o conjugado é formado por meio de com- ponentes eletrônicos em um assim chamado circuito de cálculo. Em ambas as patentes, para suprimir componentes de corrente contínua, são usados filtros de passo-alto eletronicamente realizados para a determinação do fluxo do estator concatenado.
Da EP 0621 680 A1 é conhecida uma regulação indireta de con- jugado onde a potência efetiva em pelo menos uma das três fases é regula- da para um valor constante. Nisto, a desvantagem é que não pode ser indi- cada nenhuma relação direta entre a potência efetiva e o conjugado, de mo- do que com o processo conhecido, forçosamente o conjugado pode ser re- gulado somente de modo impreciso. Um outro processo para a determinação do conjugado do fluxo
do estator concatenado e da corrente do estator, isto é, da medição de gran- dezas puramente elétricas e, portanto, sem o uso de um sensor de conjuga- do separado, é apresentado, por exemplo, na DE 195 32 477 A1. O objetivo é conseguir um conjugado de 0 por meio de uma regulação, sendo que são sincronizados os fluxos de estator e de rotor. Neste caso, o vetor espacial do fluxo do estator concatenado gira com a velocidade angular do rotor, de mo- do que o número de rotações da máquina pode ser determinado indireta- mente da freqüência básica da tensão do conversor de freqüência alimenta- dor. No entanto, a patente mencionada não descreve como é determinado o fluxo do estator concatenado, sem que necessariamente os erros que sur- gem no registro e no processamento do valor de medição acumulam, tra- zendo divergências não-toleráveis na determinação do conjugado.
A presente invenção tem a tarefa de indicar um processo o mais simples e preciso possível para a determinação do conjugado desenvolvido por meio da máquina de indução, somente utilizando grandezas elétricas, onde os erros que resultam da integração numérica e filtro passa-alta neces- sário são amplamente corrigidos.
Além disto, a presente invenção tem a tarefa de indicar um dis- positivo para a realização do processo.
A tarefa mencionada em primeiro lugar é solucionada por um processo segundo a presente invenção para a determinação do conjugado de uma máquina de indução, onde é obtido um vetor espacial filtrado do flu- xo de estator concatenado das tensões nos bornes de estator e das corren- tes nos bornes de estator por meio de integração numérica e posterior fiitra- ção por filtro de passa-alta, e deste, depois da multiplicação com um fator de correção complexo, é calculado o conjugado. Em virtude da multiplicação com o fator de correção complexo são corrigidos os erros de amplitude e de fase, causados pela integração numérica e pelo filtro passa-alta, respectiva- mente relacionada à onda de base da tensão da rede, de modo que, em re- lação à onda de base da tensão da rede, é calculado um valor do encadea- mento do fluxo exato no que se refere à amplitude e à fase. As tarefas mencionadas são solucionadas segundo a presente
invenção com um processo do tipo inicialmente mencionado pelo fato de que o vetor espacial é multiplicado com um fator de correção complexo, e de que depois da multiplicação com o fator de correção é calculado o conjugado. No dispositivo correspondente existe um dispositivo de cálculo, com o qual é feita, além da determinação do vetor espacial filtrado, diretamente sua multi- plicação com um fator de correção complexo e do mesmo modo é possível o cálculo do conjugado do vetor espacial filtrado multiplicado pelo fator de cor- reção complexo.
Em virtude do filtro passa-alta podem ser compensados erros que, por um lado, ocorrem durante a medição dos valores de corrente e de tensão e que, por outro lado, resultam do fato de que, devido à temperatura
que se altera dependendo das condições de operação, o valor da resistência ôhmica do enrolamento do estator necessário para o cálculo do fluxo de es- tator não é conhecido exatamente. Além disto, por meio do filtro passa-alta é compensado um erro residual na integração, de modo que é evitada uma divergência ou uma deriva do fluxo de estator concatenado calculado, o que
acataria um erro permanente ou crescente na determinação do conjugado.
Em uma execução vantajosa do processo segundo a presente invenção, são executados exatamente os seguintes passos:
a) As tensões nos bornes do estator e as correntes nos bornes do estator são medidas em intervalos predeterminados;
b) Dos valores medidos das tensões nos bornes de estator e das
correntes nos bornes do estator é calculado o vetor espacial da tensão no estator ou o vetor espacial da corrente no estator;
c) Do indicador especial da tensão no estator e do vetor espacial da corrente no estator e de um valor de saída para o vetor espacial do fluxo
de estator concatenado é determinado, por meio de integração numérica, um vetor espacial não-filtrado do fluxo do estator concatenado;
d) O vetor espacial não-filtrado do fluxo de estator concatenado é multiplicado por um fator de filtração predeterminado para o filtro passa- alta;
e) O vetor espacial filtrado obtido deste modo do fluxo do estator
concatenado é usado como valor de saída para o próximo passo de integra- ção numérica; f) Para o cálculo do conjugado atual da máquina de indução, o mesmo é multiplicado por um fator de correção complexo.
Nesta execução do processo é utilizado, portanto, um processo de integração numérica para a determinação do fluxo concatenado de sinais de corrente e de tensão explorados em intervalos predeterminados.
Em uma execução preferida da presente invenção o dispositivo de cálculo contém uma primeira unidade de cálculo para calcular e para ar- mazenar do vetor espacial da tensão no estator e do vetor espacial da cor- rente no estator, uma segunda unidade de cálculo para calcular o vetor es- pacial do fluxo de estator concatenado por meio de integração numérica dos indicadores espaciais da tensão no estator e da corrente no estator e de um valor de saída armazenado na memória para o vetor espacial do fluxo do estator concatenado, uma terceira unidade de cálculo conectada em série para a multiplicação do vetor espacial calculado do fluxo de estator concate- nado com um fator de filtração, e uma quarta unidade de cálculo para calcu- lar o conjugado a partir do vetor espacial da corrente do estator, o vetor es- pacial do fluxo de estator concatenado corrigido, o número de pólos e um fator de correção, sendo que o vetor espacial filtrado do fluxo de estator con- catenado é levado para a entrada da memória do valor de saída. Em outra execução vantajosa da presente invenção é previsto
um dispositivo de comando do conjugado da máquina de indução em de- pendência do valor real para o conjugado existente na saída do quarto dis- positivo de cálculo.
O ponto de partida da presente invenção é a equação (1) utiliza- da também, por exemplo, na DE 195 32 477 como base para o comando do motor lá apresentado que possibilita um cálculo do conjugado do fluxo de estator concatenado e da corrente do estator:
M - conjugado
P - número dos pares de pólos Ψζ - vetor espacial do fluxo de estator concatenado, relacionado
ao sistema de coordenadas do estator i ζ - vetor espacial da corrente do estator
If X zi = Re{zf} -lm{z~} - Jmízf] · Reizz } χ - operador com K ' ( 1 1 ' [ ~ >
Enquanto o vetor espacial i z da corrente do estator pode ser determinado diretamente das correntes medíveis nos bornes do estator I1i 2,3 com a ajuda de transformações de coordenadas conhecidas, o vetor espaci- al Ψζ do fluxo de estator concatenado precisa ser obtido indiretamente da tensão nos bornes U1, 2,3 e das correntes nos bornes de estator I1i 2,3.
Para as diferenciações de tempo do vetor espacial Ψζ do fluxo
de estator concatenado vale:
dW
—— = u~ -R-r
dt '· -) uz- vetor espacial da tensão do estator
R - resistência ôhmica de enrolamento do estator e linhas de alimentação.
A resistência R contida na equação (2) ou é conhecida como parâmetro da máquina de indução ou pode ser medida na máquina. Por integração segue finalmente o vetor espacial do fluxo de es-
tator concatenado da máquina de indução
t~0
Para uma máquina de indução ideal na rede de corrente trifásica simétrica, livre de ondas harmônicas, o encadeamento de fluxo, depois do desvanecimento de processos transitórios, descreve no plano numérico complexo um círculo que gira com freqüência de rede, cujo centro coincide com o ponto zero. Se a máquina for operada em conversores de freqüência ou atuadores de corrente trifásica (softstarter), o vetor espacial de encadea- mento de fluxo gira com a freqüência da onda de base, sendo que ondas harmônicas existentes se manifestam em oscilações ao redor da forma de círculo.
A vantagem de uma determinação de conjugado segundo as equações (1), (2) e (3) consiste especialmente no fato de que além da resis- tência R fácil de ser determinada e do número de pares de pólos ρ conheci- do, não são necessárias nenhumas informações referentes à máquina de indução.
A integração necessária segundo a equação (4) agora é realiza- da de preferência, numericamente, por exemplo, com exploração eqüidistan- te segundo a regra do trapézio:
2 'v dl dt j
ψ-
- vetor espacial calculado (filtrado) do fluxo de estator con-
catenado para o passo de exploração k-1
Ψ-
* - vetor espacial não-filtrado do fluxo de estator concatenado
para o passo de exploração k Al - largura do passo de exploração.
As diferenciações de tempo dt dt d0 vetor espacial
ψ-
do fluxo do estator concatenado para os passos de exploração Kek- 1, no caso são obtidos diretamente dos indicadores espaciais u ' 't i-i que pertencem a este passo de exploração da tensão nos bor- nes do estator e da corrente nos bornes do estator, segundo a equação (2).
Conforme já explicado anteriormente, ocorre, sem outras medi- das, devido a erros inevitáveis na medição dos valores de corrente e de ten- são, da resistência R não exatamente conhecida (influência da temperatura) s do erro residual que permanece em processos de integração numérica, Liria divergência permanente ou uma deriva do fluxo de estator calculado concatenado, o que se manifesta em um deslocamento do círculo do enca- deamento do fluxo do ponto zero do plano numérico complexo. Finalmente, isto deixaria um erro permanente ou crescente na determinação do conjuga- do.
Para a eliminação ampla destes efeitos não-desejados, segundo
a presente invenção, o vetor espacial numericamente determinado do fluxo de estator concatenado é submetido a um filtro passa-alta. No caso de um processo de integração numérico, isto é feito por multiplicação do vetor es- pacial calculado do fluxo do estator concatenado para cada passo de explo- ração com um fator de filtração η, sendo que η é pouco menor do que 1: ΨΓ=7·
Ψ,γ. +
Δ/ ( Í/Ψγ
dl ώ
:5)
η - fator de filtração para a realização de um passo-alto.
O vetor espacial filtrado * obtido deste modo para o fluxo de estator concatenado depois é usado em um próximo passo k+1 para o cálcu- Io do vetor espacial não-filtrado segundo a equação (4).
Para a medição do fator de filtração η pode ser utilizada a equa-
ção (6), sendo que τ é uma constante de tempo de filtração que, de prefe- rência, é de 1 até 10 vezes o período da rede.
r δλ
η = expi--J (6.
Nt/ '
τ - constante do tempo de filtração.
Para a operação em uma rede de corrente trifásica com qual- quer freqüência angular de ondas fundamentais ω, depois do desvanecimen- to de interferências transitórias entre a onda de base do vetor espacial calcu- lado segundo a equação (5) do fluxo de estator concatenado (encadeamento de fluxo) e a onda de base real, existente na máquina de indução do enca- deamento de fluxo, existe uma divergência constante, tanto na amplitude com também na situação de fase (ângulo no plano numérico complexo) que em seguida é denominado de erro de onda de base do encadeamento do fluxo. No caso, é indifererrfe se a máquina de indução é alimentada direta- mente da rede de corrente trifásica, de um atuador de corrente trifásica, um conversor de freqüência oa de outros aparelhos de comando. O erro de onda de base constante agora é compensado por mul-
tiplicação do encadeamento de fluxo calculado segundo a equação (5), com um fator de correção complexo constante C<, de modo que para o cálculo do conjugado m, em alteração da equação (1) é usada a seguinte relação:
=\· P-(C^-XyA-) (7)
C< - fator de correção complexo para a compensação de erros. O fator de correção C< resulta da aplicação da prescrição de in-
tegração segundo a equação (5): (7 + 1)-sin/? .
c--- mit β = ω ■ Δί (8)
ω - freqüência angular da onda de base, para a qual o fator de correção C< é adaptado.
Em caso de uso de outros processos de integração numéricos do que na equação (5), o fator de correção complexo Ck precisa ser adapta- do correspondentemente.
A título de melhor explicação da presente invenção chama-se a atenção para os desenhos. Eles mostram:
Figura 1- um dispositivo para a realização do processo segundo a presente invenção como diagrama em bloco com um gráfico de fluxo de sinais.
Figura 2 - um diagrama, onde o conjugado calculado segundo a presente invenção é registrado contra o conjugado real durante o processo de partida de uma máquina de indução de 30 kW contra o tempo.
No exemplo de execução segundo a figura 1, uma máquina de indução 2 é conectada com seu estator nas fases L1, L2, L3 de uma rede trifásica por meio de um dispositivo de comando 4. Com a ajuda de um dis- positivo de medição 6 são medidas tanto as correntes nos bornes do estator ii, Í2, I3 que fluem nos enrolamentos do estator csa máquina de indução 2, como também as tensões nos bornes de estator u-. U2, U3 aplicadas nos bor- nes do estator, e transmitidas para uma primeira unidade de cálculo 8.
No exemplo de execução a primeira unidade de cálculo 8 con- tém um conversor análogo-digital não-mostrado, no qual os valores de medi- ção para as correntes nos bornes do estator e as tensões nos bornes de es- tator são digitalizados com uma taxa de exploração predeterminada, de mo- do que os valores de medição digitais correspondentes existem em interva- los de tempo At eqüidistantes. A primeira unidade de cálculo contém unida- des de transformação 8a e 8b nas quais são calculados, das correntes nos bornes de estator h, i2, h e das tensões nos bornes de estator ui, u2, u3 os respectivos indicadores espaciais u» ' T da tensão de estator ou da corren- te de estator para o passo de exploração k, e existem em intervalos de tem- po discretos At na saída da primeira unidade de cálculo 8.
Em uma segunda unidade de cálculo 10 conectada em série com a primeira unidade de cálculo 8 agora são calculados, com a ajuda da equação (2), a partir dos indicadores espaciais ' da corrente de esta-
tor ou da tensão de estator e da resistência de estator R a diferenciação de
JV-
- ψ -
tempo dt do vetor espacial do fluxo de estator concatenado (vetor espacial de fluxo de estator) para o passo de exploração atual k e somado com um valor armazenado na memória 104 da diferenciação de tempo
di do vetor espacial de fluxo de estator do passo de exploração anterior k - 1. O valor de somas calculado deste modo é multiplicado em um passo
de multiplicação 106 com a metade da largura de exploração At/2. Para este
ψ -
valor é somado e emitido um valor de saída *-> armazenado em uma me- mória de valores de saída 108 para o vetor espacial de fluxo de estator.
O vetor espacial de fluxo de estator não-filtrado calculado deste
φ-
modo k é multiplicado em uma terceira unidade de cálculo 12 com o fator
de filtração η e o vetor espacial de fluxo de estator filtrado, obtido deste mo-
ψ -
do * é processado em uma quarta unidade de cálculo 14 segundo a e- quação (7) por multiplicação com o fator de correção complexo Ci determi- nado segundo a equação (8) e 1,5 vez o número de pares de pólos ρ com o vetor espacial atual da corrente de estator .
Na saída da quarta unidade de cálculo 14 existe então um valor calculado para o conjugado atual mk, que é conduzido como valor real para a unidade de comando 4, podendo ser utilizado para regular ou comandar o conjugado m da máquina de indução 2. Com vantagem existe para tal a uni- dade de comando 4 das unidades 4a e 4b, por exemplo, a unidade 4a como
aparelho de comando de motor e a unidade 4b como regulador 4b.
ψ ~
O vetor espacial de fluxo de estator filtrado - é conduzido à memória do valor de saída 108 e está à disposição como valor de saída para o próximo passo de cálculo k+1. Na figura 2 é registrado em um diagrama de tempo/conjugado o
conjugado real m correspondendo à curva a, e o conjugado determinado segundo a presente invenção é registrado de acordo com a curva b contra o tempo t. Na figura pode ser observado que a divergência, que na fase de partida primeiro cresce, é corrigida, de modo que a partir de mais ou menos 0,7 segundos depois do início da partida, a diferença entre o conjugado real e o conjugado calculado praticamente é negligenciável. Pelo cálculo do con- jugado segundo a presente invenção é possível, portanto, evitar praticamen- te por completo erros na forma de divergência permanecente ou crescente do conjugado calculado do conjugado real.
Com a presente invenção consegue-se que o produto do fator de correção complexo C< e do vetor espacial numericamente calculado do fluxo de estator concatenado relacionado à onda de base da tensão da rede, cor- responde assintoticamente ao valor exato do fluxo de estator concatenado. Isto é alcançado, dimensionando-se o fator de correção de tal modo que as falsificações geradas pela prescrição de integração e o filtro passa-alta de- saparecem de modo assintótico.
Para o cálculo do fator de correção complexo usa-se com vanta- gem a transformação Z:
Primeiro é transformada por Z a prescrição de integração:
ψ-^μ
ν-
Ψ" (ζ) . At
?
Ψ<(γ):
■ η·
At „, ?
At ζ +1
Χ¥~{ζ)·(--η)=η·^-·Ξ~ (ζ)· (.- + ΐ)
2
η
Ξ-'ΟΟ
O uso do transformado por Z para fornece:
ζ(ξ; }=Z{exp(y./Μ-)} =-
z-exp {j-β)
At z + \
2 ζ-η
exp {j-β)
Também v^ é decomposto em frações parciais.
2 ex
1
P ϋ-β)-'
(exp(y ·/?) + !) ])
ζ-exp{j-β) ζ-η
(Π)
(12) (13)
(14) 05)
(16)
O segundo termo em parênteses com o denominador de (ζ-η) representa, depois da transformação de volta, uma seqüência com r|k, que desaparece por causa de η<1 para grandes k. O primeiro termo, por outro lado, devido à transformação de volta, é novamente convertido em um vetor
espacial da forma
Δ/ exp(y · /?)+1 , " <I7>
O fator de correção complexo C< agora deve ser dimensionado de tal modo que o vetor espacial numericamente calculado do encadeamen- to de fluxo para grandes k corresponde ao integral exato de ^ ' isto é:
exPp β ■ k) J- ω
Disto resulta:
C- .η ^L exP0·β) + 1= 1
2 exp {]·β)-η~ j ·ω c, = 2 ■ [exp(y ■ β)-η~\
j'1- β - [exp(y ■ /?) +1] (19)
Por meio de outras conversões, através das quais são gerados um denominador real e partes reais e imaginárias separadas, resulta final- mente para o fator de correção complexo a equação (8), já mencionada an- teriormente:
(7 + 1)· sin β
Cz = cos^ 1
+ 7·(τ7-1)
-πύίβ = ω·Αί
η·β
O vetor espacial do encadeamento de fluxo ^r multiplicado com o fator de correção complexo C<, calculado por meio da prescrição de inte- gração acima, passa com k crescente para a onda de base da tensão da rede de modo assintótico para o valor exato.
O fator de correção complexo C< somente precisa ser calculado uma vez, conhecendo-se as grandezas
- freqüência angular da onda de base da tensão da rede ω - fator de filtração η
- largura do passo de exploração At
podendo finalmente ser armazenado em um ROM. Para a de- terminação do conjugado durante o tempo de operação, somente precisa ser realizada uma multiplicação de valor complexo. Se forem usados outros al- goritmos para o cálculo do integral ou da realização do passo-alto, resultam necessariamente também outros fatores de correção complexos C<. Estes também podem ser calculados segundo a prescrição acima.
Em um exemplo de acordo com a prática resulta:
- fator do filtro passa-alta η = 0,999
- freqüência angular da onda de base da tensão de rede ω = 2* π*ί = 314,159 s1
- largura de passo de exploração At: 100 με.
Disto resulta o fator de correção complexo:
C< = 1,0005827965 - j * 0,018628515. Ao calcular as grandezas em um computador, as condições exatas podem ser cumpridas.