ES2309661T3 - Procedimiento y dispostivo para regular la potencia de maquinas sincronicas electricas excitadas permanentemente. - Google Patents
Procedimiento y dispostivo para regular la potencia de maquinas sincronicas electricas excitadas permanentemente. Download PDFInfo
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Abstract
Procedimiento para regular la tensión de máquinas sincrónicas eléctricas excitadas permanentemente con número de revoluciones prefijable, en las que mediante una corriente de máquina y un flujo magnético generado por imanes permanentes, que depende de la intensidad del flujo magnético y de la magnitud de la corriente de máquina así como de una constante de máquina, en donde se regulan la corriente de máquina y el número de revoluciones de la máquina y en donde para tener en cuenta la dependencia de temperatura dada del flujo magnético generado por los imanes permanentes, para mejorar la regulación de potencia, se utiliza un valor compensador de par de giro específico, en donde el valor compensador de par de giro específico se establece a partir del valor nominal de corriente de máquina, de la potencia eléctrica, del grado de eficacia y del número de revoluciones como magnitudes resultantes, de forma continuada mediante técnica de cálculo.
Description
Procedimiento y dispositivo para regular la
potencia de máquinas sincrónicas eléctricas excitadas
permanentemente.
La invención se refiere a un procedimiento y a
un dispositivo para regular la tensión de máquinas sincrónicas
eléctricas excitadas permanentemente con número de revoluciones
prefijable, en las que mediante una corriente de máquina y un flujo
magnético generado por imanes permanentes, que depende de la
intensidad del flujo magnético y de la magnitud de la corriente de
máquina así como de una constante de máquina, en donde se regulan la
corriente de máquina y el número de revoluciones de la máquina.
En el caso de una máquina eléctrica existe la
conocida relación entre la corriente, el flujo magnético y el par
de giro:
c x Is x \Phi
=
M.
En la misma significan:
c = una constante de máquina,
Is = la corriente de máquina,
\Phi = el flujo de máquina y
M = el par de giro.
En el caso de máquinas sincrónicas excitadas
eléctricamente, una regulación a través de la corriente de
excitación en bobinas de campo puede regular el flujo magnético en
la máquina. Con una regulación de este tipo se conoce el flujo
magnético en la máquina. En el caso de una prefijación de una
determinada corriente de máquina, como consecuencia se conoce el
par de giro que se establece en la máquina. Las máquinas sincrónicas
excitadas permanentemente, por el contrario, no tienen sobre la
rueda polar ninguna bobina de campo, a través de la cual pudiera
regularse el flujo magnético en la máquina. El flujo magnético en
la máquina se genera fundamentalmente a través de los imanes
permanentes y el comportamiento magnético de los imanes permanentes
depende de la temperatura. El flujo magnético en la máquina depende
por ello de la temperatura de los imanes. En el caso de prefijarse
una determinada corriente de máquina, el par de giro que se
establece en la máquina depende por lo tanto también de la
temperatura de los imanes y la máquina sincrónica excitada
permanentemente ya no puede regularse con exactitud en cuanto a su
par de giro. Si la máquina sincrónica excitada permanentemente ya no
puede hacerse funcionar con una regulación precisa del par de giro,
esta máquina tampoco puede hacerse funcionar con regulación de
potencia a través de la corriente de máquina y el número de
revoluciones de máquina. Una regulación de potencia precisa, sin
embargo, es necesaria para muchas aplicaciones, en especial para la
aplicación de la máquina sincrónica excitada permanentemente como
máquina propulsora de barcos.
La tarea de la invención consiste en indicar un
procedimiento de regulación y un dispositivo de regulación, con los
que a pesar de las circunstancias descritas anteriormente sea
posible una regulación de potencia precisa de máquinas propulsoras
de barcos eléctricas y excitadas permanentemente, en especial en
forma de hélices gobernadoras eléctricas.
Del estado general de la técnica de regulación
de máquinas eléctricas se conoce detectar el flujo de máquina a
través de sondas Hall. Un flujo de máquina medido con sondas Hall u
otros registradores de medición puede utilizarse, junto con la
corriente de máquina, para una regulación del par de giro y con ello
de la potencia. También se conoce la medición directa del par de
giro, por ejemplo a través de árboles de torsión. Los sistemas
conocidos del estado de la técnica, sin embargo, son muy complicados
o inestables a largo plazo. Aparte de esto son muy sensibles y por
ello menos adecuados para grandes máquinas propulsoras de barcos,
que deben cumplir su función de forma fiable durante muchos
años.
Asimismo se conoce una regulación a través de
los llamados modelos de máquina, por ejemplo en el documento JP 10
229 700, en los que a partir de la tensión de máquina medida, la
corriente de máquina medida y una serie de parámetros de máquina,
se establece el flujo de máquina y se alimenta a una regulación de
conversión. Sin embargo, la práctica ha demostrado que esta clase
de establecimiento del flujo de máquina es demasiado inespecífica
para detectar el par de giro en la máquina, para cumplir los
requisitos impuestos a máquinas propulsoras de barcos, en las que
se trata de ajustar con precisión la potencia efectiva. Una
regulación basada en el campo de máquinas sincrónicas excitadas por
imanes permanentes para propulsiones de barcos se describe en el
documento US 6592412.
En especial la dependencia de temperatura de los
imanes permanentes puede regularse sólo de forma insuficientemente
precisa a través de modelos de máquinas.
La tarea de la regulación de potencia precisa de
máquinas sincrónicas eléctricas excitadas permanentemente es
resuelta por medio de que, para tener en cuenta la dependencia de
temperatura dada del flujo magnético generado por los imanes
permanentes, para mejorar la regulación de potencia, se utiliza un
valor compensador de par de giro específico. De este modo se
obtiene una solución de software, que es especialmente apropiada en
especial para máquinas propulsoras de barcos grandes. Con ello es
especialmente ventajoso que ya no sea necesario disponer de una
accesibilidad de las grandes máquinas propulsoras de barcos, por
ejemplo para poder reajustar o reparar aparatos medidores de par de
giro o aparatos medidores de flujo de máquina. Por lo tanto se
obtiene de forma ventajosa una solución, que es robusta y estable a
largo plazo y con ello apropiada para los barcos.
La solución conforme a la invención es
especialmente ventajosa para las máquinas propulsoras de hélices
gobernadoras eléctricas con excitación permanente, ya que aquí no
es posible un ajuste preciso de la potencia de propulsión de los
barcos equipados con las hélices gobernadoras. Por esto se hace
necesario dimensionar más grandes las máquinas propulsoras de este
tipo de lo que sería necesario por sí mismo, ya que hasta ahora no
se disponía de ningún procedimiento preciso y de un dispositivo
correspondiente para la regulación de potencia precisa. Este
sobredimensionamiento debe poder evitarse. Las tareas impuestas son
resueltas mediante las particularidades de las reivindicaciones 1 y
4. Las reivindicaciones subordinadas dependientes de las mismas
describen configuraciones ventajosas.
En una configuración especialmente ventajosa de
la invención está previsto que en un dispositivo de regulación de
la máquina eléctrica con circuitos de regulación, a través del valor
compensador de par de giro se enlacen entre sí un circuito de
regulación de número de revoluciones interior y otro exterior. De
este modo se obtiene la posibilidad ventajosa de una solución
técnica de regulación para el enlace necesario entre los reguladores
de software utilizados, por medio de que la limitación del valor
nominal del par de giro o de la potencia pueda unirse a través del
valor compensador de par de giro específico sin retardo al valor
nominal de la corriente de máquina, que se corresponde con el valor
nominal del par de giro formando el par. Dentro del dispositivo de
regulación se obtiene de este modo la ecuación
c x Is x (ST x
\Phi) =
M.
En la misma significan:
c = la constante de máquina,
Is = la corriente de máquina,
ST = el valor compensador de par de giro,
\Phi = el flujo de máquina y
M = el par de giro que se obtiene.
El valor compensador de par de giro se limita
ventajosamente por motivos de seguridad al margen de valores usual
para el funcionamiento. Asimismo se afina su introducción, para que
los procesos dinámicos en las señales para la detección del par de
giro específico no puedan influir en la regulación del número de
revoluciones. En el caso de máquinas sincrónicas grandes, excitadas
permanentemente, como las representadas por las máquinas
propulsoras de barcos, la constante de tiempo para la temperatura de
los imanes está dentro de un margen de 20 minutos y mayor. Como
función de afinamiento más sencilla se ofrece ventajosamente la
función PT1 con 2 minutos de constante de tiempo de afinamiento.
Los procesos dinámicos perturbadores de origen eléctrico o mecánico
en las señales, para la detección del par de giro específico, están
con ello suficientemente afinados, mientras casi no se influye en
el par de giro específico, dependiente del desarrollo de temperatura
de los imanes permanentes.
En otra configuración de la invención está
previsto que el valor compensador de par de giro específico se
establezca a partir del valor nominal de corriente de máquina, de la
potencia eléctrica, del grado de eficacia y del número de
revoluciones como magnitudes resultantes. La corriente de máquina,
la potencia eléctrica y el número de revoluciones pueden medirse
con precisión, por ejemplo en un rectificador de corriente para
alimentar la máquina o mediante un transmisor de pasos angulares.
De este modo se obtiene ventajosamente la posibilidad de un
establecimiento precisa del valor compensador de par de giro
mediante mediciones habituales.
En otra configuración alternativa de la
invención está previsto que el par de giro de máquina sea guiado
mediante otras magnitudes medidas, por ejemplo un valor real de par
de giro o el valor real de flujo de máquina, pero también mediante
la temperatura de los imanes. De este modo puede aumentarse
ventajosamente la precisión de la prefijación, teniendo en cuenta
otras magnitudes importantes de la máquina.
En una configuración de la invención está
previsto que para llevar a cabo el procedimiento, el dispositivo
para regular la potencia de la máquina sincrónica excitada
permanentemente presente un circuito de regulación de número de
revoluciones interior y otro exterior formado por módulos de
software, que están unidos entre sí a través de un valor
compensador de par de giro ajustable. De este modo puede llevarse a
cabo ventajosamente el procedimiento conforme a la invención.
\newpage
En otra configuración de la invención está
previsto ventajosamente que el valor compensador de par de giro
ajustable pueda ajustarse según parámetros de máquina y utilización
prefijados. De este modo puede ajustarse la potencia de máquina
óptima para barcos, para los que la potencia efectiva en el eje de
hélice es un criterio de verificación decisivo.
En una configuración alternativa de la invención
está previsto que el par de giro de la máquina pueda ajustarse
mediante magnitudes medidas, como el valor real de flujo de máquina
y dado el caso la temperatura del imán. De este modo puede
mejorarse todavía más la optimización de la regulación, sin que sea
necesario usar sensores sensibles como árboles de medición de
torsión.
En una configuración ventajosa de la invención
está previsto que el dispositivo de regulación presente un circuito
de regulación interior con un regulador del número de revoluciones
con las magnitudes de regulación valor nominal del número de
revoluciones antes del transmisor de marcha acelerada, valor nominal
del número de revoluciones después del transmisor de marcha
acelerada, valor real del número de revoluciones y valor nominal de
corriente de máquina. De este modo puede formarse un circuito de
regulación interior conforme a la invención, en donde los
transmisores de marcha acelerada son en principio conocidos, por
ejemplo del documento DE 100 11 601 C2. Mediante la utilización de
una transmisor de marcha acelerada de este tipo es posible conocer
las relaciones de la propulsión de barco respectiva. La
parametrización del transmisor de marcha acelerada se produce con
ello ventajosamente durante la fase de puesta en marcha.
En una configuración adicional de la invención
está previsto que el dispositivo de regulación presente un circuito
de regulación exterior con las magnitudes de regulación valor real
del número de revoluciones, limitación de la potencia efectiva de
máquina y limitación del par de giro de máquina. De este modo se
obtiene un trabajo seguro de la máquina eléctrica regulada conforme
a la invención, en especial de una máquina sincrónica excitada
permanentemente.
En una configuración adicional de la invención
está previsto que el transmisor de marcha acelerada presente un
seguimiento de transmisor de marcha acelerada. De este modo se
obtiene un comportamiento especialmente ventajoso de la
regulación.
Por último está previsto que la señal de salida
del regulador del número de revoluciones sea el valor nominal de
corriente de máquina. De este modo se obtiene una configuración de
la regulación de corriente que puede ejecutarse de forma
especialmente sencilla y especialmente fácil para el personal de la
máquina.
La invención se describe con más detalle con
base en dibujos, en los que, al igual que en las reivindicaciones,
pueden verse otros detalles también esenciales para la
invención.
Aquí muestran:
la figura 1 un esquema de regulación en detalle
y
la figura 2 una representación esquemática del
proceso de regulación.
En la figura 1 el 1 designa la hélice de barco
con el árbol de impulsión 2, que puede ser tanto un árbol dispuesto
en el propio barco como un árbol dispuesto en una hélice gobernadora
eléctrica. El 3 designa propulsor, con preferencia una máquina
sincrónica excitada permanentemente. El 4 designa un transmisor de
pasos angulares para establecer con precisión el número de
revoluciones. El 5 designa la red de alimentación eléctrica del
barco y el 6 el rectificador de corriente en el que se genera el
valor real de corriente de máquina.
El 7 designa el valor real del número de
revoluciones, que es entregado por el transmisor de pasos angulares
y se entrega a la detección de valores reales del número de
revoluciones 8. El 9 designa el transmisor de valores nominales del
número de revoluciones en forma de una palanca de maniobra. El 10
designa el valor nominal del número de revoluciones antes del
transmisor de marcha acelerada. 11 y 12 el valor nominal del número
de revoluciones después del transmisor de marcha acelerada. El 13
designa el punto de comparación entre el valor nominal de número de
revoluciones y el valor real del número de revoluciones, en el que
se introduce el valor real del número de revoluciones 14.
El 15 designa un regulador del número de
revoluciones con limitación del valor de salida y 16 el valor
nominal de corriente de máquina. El 17 es el valor nominal de
limitación de la potencia de máquina y 18 el valor nominal de
limitación del par de giro, cuya magnitud se prefija específicamente
para el barco. El 19 es el par de giro específico conforme a la
invención, es decir, el valor compensador de par de giro que se
alimenta a los dos divisores 21, 21 para el valor nominal de
limitación de par de giro/valor nominal de limitación de corriente
de máquina y el valor nominal de limitación de potencia de
máquina/valor nominal de limitación de corriente de máquina.
El 22 designa el valor nominal de limitación de
corriente de máquina al igual que el 23 y el 24, que se alimenta a
un dispositivo 25 para la selección mínima del valor nominal de
limitación de corriente de máquina. El 26 designa el valor nominal
de limitación de corriente de máquina en el regulador del número de
revoluciones.
En la figura 2, en la que se reproduce la
influencia de las diferentes magnitudes de máquina sobre la
regulación del par de giro, el 31 significa el multiplicador para
la potencia de máquina en el que de forma habitual se introducen la
tensión, la corriente, el coseno de \pi y el grado de eficacia de
la máquina. El 32 un divisor de par de giro, al que se alimenta el
número de revoluciones y el 33 un divisor que establece el par de
giro específico, mientras que el 34 indica una unidad de desbloqueo
para el par de giro específico. El 35 es un limitador del par de
giro específico y el 36 indica la función de afinamiento del par de
giro específico. El 19 es la señal de salida para el par de giro
específico.
Las figuras 1 y 2 las abreviaturas y los
símbolos utilizados en las mismas se corresponden con el esquema de
representación habitual de reguladores eléctricos. Por ello el
técnico los puede entender sin más.
En resumen puede comprobarse que la ventaja de
esta invención estriba muy fundamentalmente en que con una
regulación sencilla y económica a través de módulos de software
puede evitarse un sobredimensionamiento muy costoso de la
instalación propulsora. En el caso de barcos, por ejemplo se mide la
velocidad del barco acordada por contrato en el caso de una
potencia de propulsión también fijada por contrato. Es con ello
irritante si durante el funcionamiento de la instalación propulsora
se modifican los valores de funcionamiento de la potencia de
máquina o también procesos, dependientes del par de giro, de la
máquina sincrónica excitada permanentemente. No se producen
oscilaciones de potencia, que no dejan aparecer las magnitudes
acordadas por contrato como no alcanzadas.
Una ventaja adicional de esta invención consiste
en que la tensión de máquina máxima US se reduce algo, si por
ejemplo en el caso de propulsiones de barco la máquina sincrónica
excitada permanentemente llega a una limitación de la potencia
efectiva de máquina. La tensión de marcha en vacío de salida del
transformador de rectificador de corriente puede reducirse en el
factor, en el que también se reduce la tensión de máquina máxima.
En el mismo factor se reduce también la potencia constructiva del
transformador de rectificador de corriente y, de este modo,
descienden también sus costes. En el mismo factor se reduce también
la potencia aparente, que extrae el convertidor de la red de a
bordo. En el caso de propulsiones de barcos esto produce una
reducción de costes también en generadores para la generación de
corriente del convertidor, porque los generadores tienen que
producir menos potencia reactiva. En total no sólo se reducen los
costes de la propia máquina eléctrica, sino también los costes de
los componentes para la alimentación de energía de la máquina
propulsora. Por lo tanto se obtiene un abanico de ventajas con
respecto a las máquinas sincrónicas eléctricas excitadas
permanentemente actuales, que no funcionan con el valor compensador
de par de giro.
Claims (10)
1. Procedimiento para regular la tensión de
máquinas sincrónicas eléctricas excitadas permanentemente con
número de revoluciones prefijable, en las que mediante una corriente
de máquina y un flujo magnético generado por imanes permanentes,
que depende de la intensidad del flujo magnético y de la magnitud de
la corriente de máquina así como de una constante de máquina, en
donde se regulan la corriente de máquina y el número de
revoluciones de la máquina y en donde para tener en cuenta la
dependencia de temperatura dada del flujo magnético generado por
los imanes permanentes, para mejorar la regulación de potencia, se
utiliza un valor compensador de par de giro específico, en donde el
valor compensador de par de giro específico se establece a partir
del valor nominal de corriente de máquina, de la potencia
eléctrica, del grado de eficacia y del número de revoluciones como
magnitudes resultantes, de forma continuada mediante técnica de
cálculo.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque en un dispositivo de regulación para la
máquina eléctrica, a través del valor compensador de par de giro se
enlazan entre sí un circuito de regulación de número de
revoluciones interior y otro exterior.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque el par de giro de máquina es guiado
mediante magnitudes medidas, por ejemplo un valor real de par de
giro o el valor real de flujo de máquina.
4. Dispositivo para llevar a cabo el
procedimiento según una o varias de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque presenta un circuito de regulación de
número de revoluciones interior y otro exterior formado por módulos
de software, que están unidos entre sí a través del valor
compensador de par de giro ajustable.
5. Procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado porque el valor compensador de par de giro
ajustable puede ajustarse según parámetros de máquina y utilización
prefijados, por ejemplo de forma correspondiente a la potencia
efectiva deseada.
6. Procedimiento según la reivindicación 4 ó 5,
caracterizado porque presenta un circuito de regulación
interior con un regulador del número de revoluciones con las
magnitudes de regulación valor nominal del número de revoluciones
antes del transmisor de marcha acelerada, valor nominal del número
de revoluciones después del transmisor de marcha acelerada, valor
real del número de revoluciones y valor nominal de corriente de
máquina.
7. Procedimiento según la reivindicación 4, 5 ó
6, caracterizado porque presenta un circuito de regulación
exterior con las magnitudes de regulación valor real del número de
revoluciones, limitación de la potencia efectiva de máquina y
limitación del par de giro de máquina, en donde la limitación de la
potencia efectiva de máquina y la limitación del par de giro de
máquina son guiadas por magnitudes dadas externamente o por otras
magnitudes de regulación, como por ejemplo el valor real del número
de revoluciones.
8. Dispositivo según la reivindicación 6,
caracterizado porque el transmisor de marcha acelerada
presenta un seguimiento de transmisor de marcha acelerada.
9. Dispositivo según una o varias de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la señal de
salida del regulador del número de revoluciones es el valor nominal
de la corriente de máquina.
10. Utilización del dispositivo según una o
varias de las reivindicaciones 4 a 9 para regular un motor de
hélice gobernadora eléctrica con excitación permanente.
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