ES2611329T3 - Procedimiento de detección de pérdida de una o varias fases en un motor eléctrico síncrono de imanes permanentes - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de implementación en un variador de velocidad (1) para detectar una pérdida de una fase, de dos fases o de tres fases en un motor síncrono trifásico de imanes permanentes (PMSM) en marcha o detenido en la parada, ejecutando dicho variador un control de funcionamiento en bucle cerrado, estando dicho procedimiento caracterizado porque incluye las etapas de: - determinación de una corriente de flujo de referencia (Idref) en función de la corriente de par de referencia (Iqref), calculándose dicha corriente de par de referencia (Iqref) a partir de la velocidad de referencia (Wref) a aplicar al motor y de una medida de la velocidad (Wmes) o de la posición realizada sobre el motor, - aplicación de la corriente de flujo de referencia (Idref) con el fin de inyectar unas corrientes (I1, I2, I3) en las diferentes fases del motor (PMSM), - medida de las corrientes en al menos dos fases y determinación de la pérdida de una fase, de dos fases o de tres fases a partir de estas corrientes medidas
Description
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DESCRIPCION
Procedimiento de deteccion de perdida de una o varias fases en un motor electrico smcrono de imanes permanentes
La presente invencion se refiere a un procedimiento implementado en un variador de velocidad para detectar la perdida de una fase, de dos fases o de tres fases en un motor electrico smcrono de imanes permanentes. Este procedimiento se implementa en bucle cerrado, es decir con la medicion de la velocidad o de la posicion en el motor. La invencion se refiere igualmente a un variador de velocidad susceptible de implementar el procedimiento definido en el presente documento anteriormente.
En un sistema que incluye un motor electrico y un variador de velocidad, la perdida de una o varias fases es un fenomeno aleatorio. Puede surgir en el transcurso del funcionamiento o en la parada y puede deberse por ejemplo al aflojamiento de tornillos ocasionado por vibraciones, un corte del cable, un descuido en la conexion o a un contactor no controlado. La perdida de una o varias fases puede provocar grandes danos y es importante por lo tanto poder identificar automaticamente la perdida de una o varias fases en el motor.
El documento de patente US 7.161.375 describe un procedimiento para detectar la perdida de una fase en un motor de imanes permanentes funcionando en bucle abierto. Este procedimiento no funciona mas que cuando el motor esta inicialmente parado y consiste en inyectar una corriente de par en los arrollamientos del motor, en medir una corriente en una fase del motor, en comparar el valor de la corriente determinado con un valor calculado y en decidir la perdida de una fase si la diferencia de la corriente medida y el valor calculado es superior a un valor predeterminado. La solucion invocada en esa patente no permite detectar la perdida de todas las fases al mismo tiempo. Ademas, se implementa durante la fase de arranque del motor despues de haber situado al motor en parada en una posicion determinada.
El objeto de la invencion es proponer un procedimiento para detectar la perdida de una o varias fases del motor cuando este esta en marcha o en parada y sin afectar al control del par, es decir sin generar oscilaciones suplementarias o perdida de par.
El objeto se alcanza mediante un procedimiento implementado en un variador de velocidad para detectar una perdida de una fase, de dos fases o de tres fases en un motor smcrono trifasico de imanes permanentes en marcha o detenido en la parada, ejecutando dicho variador un control de funcionamiento en bucle cerrado, dicho procedimiento se caracteriza porque incluye las etapas de:
- determinacion de una corriente de flujo de referencia en funcion de la corriente de par de referencia, siendo calculada dicha corriente de par de referencia a partir de la velocidad de referencia a aplicar al motor y de una medida de la velocidad o de la posicion realizada sobre el motor,
- aplicacion de la corriente de flujo de referencia con el fin de inyectar unas corrientes en las diferentes fases del motor,
- medida de las corrientes en al menos dos fases y determinacion de la perdida de una fase, de dos fases o de tres fases a partir de estas corrientes medidas.
Segun una particularidad, la perdida de una fase, de dos fases o de tres fases se determina al cabo de una duracion predefinida.
Segun otra particularidad, la corriente de flujo de referencia se aplica segun una rampa de control inferior a la duracion predefinida.
Segun otra particularidad, si no se aplica ninguna corriente de par de referencia, se aplica una corriente de flujo de referencia minima para poder detectar la perdida de fases el motor.
Segun otra particularidad, la corriente de flujo de referencia se incrementa hasta un valor final segun una rampa de control mientras que la corriente de par de referencia sea inferior a dicho valor final.
Segun otra particularidad, la corriente de flujo de referencia se disminuye hasta cero segun una rampa de control a partir del momento en el que la corriente de par de referencia es superior a un valor determinado.
Segun la invencion, para detectar la perdida de las tres fases cuando el motor esta en marcha, el procedimiento incluye igualmente unas etapas de:
- determinacion del modulo de corriente eficaz de las corrientes inyectadas en las tres fases,
- comparacion del modulo de corriente eficaz determinado con un valor predeterminado,
- determinacion de la perdida de las tres fases del motor en marcha cuando el modulo de corriente eficaz permanece inferior al valor predeterminado durante una duracion predefinida.
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Para detectar la perdida de una o varias fases cuando el motor esta frenado en la parada, el procedimiento incluye unas etapas de:
- determinacion del modulo de la tension eficaz a aplicar al motor,
- comparacion del modulo de la tension eficaz con un valor predeterminado,
- determinacion de la perdida de una o varias fases del motor frenado en la parada cuando el modulo de la tension eficaz permanece superior al valor predeterminado durante una duracion predefinida.
Cuando el motor esta frenado en la parada, se incluye una etapa de determinacion de una corriente de flujo a partir de las corrientes inyectadas en cada fase y una etapa de aplicacion de esta corriente de flujo con un angulo predefinido.
Para detectar la perdida de una fase cuando el motor esta en marcha, el procedimiento incluye unas etapas de:
- obtencion del angulo de referencia giratoria del control,
- comparacion del modulo de corriente eficaz aplicado en cada fase con un valor predeterminado,
- en funcion de la comparacion, asignacion o no, del angulo de referencia giratoria a cada uno de los angulos de las corrientes inyectadas en las diferentes fases del motor,
- estudio de la variacion de cada uno de los angulos en el transcurso del tiempo y determinacion de la perdida de una fase del motor en marcha en funcion de este estudio.
La invencion se refiere igualmente a un variador de velocidad adecuado para implementar un control funcionando en bucle cerrado para controlar un motor electrico smcrono de imanes permanentes, siendo adecuado dicho variador para implementar el procedimiento definido en el presente documento anteriormente.
La idea principal de la invencion es por tanto aplicar una corriente en la direccion del flujo sin afectar al control del par, es decir sin generar oscilaciones suplementarias o perdida de par.
El motor esta frenado en la parada, frenos apretados, en unas aplicaciones de tipo ascensor o elevador. En este caso, es importante saber que el motor esta bien conectado antes de liberar el freno porque si no es posible una perdida de carga. La deteccion de la perdida de una o varias fases del motor debe implementarse por lo tanto en el variador antes del inicio de la rampa de aceleracion.
Surgiran otras caractensticas y ventajas en la descripcion detallada que sigue en referencia a un modo de realizacion dado a tftulo de ejemplo y representado por unos dibujos adjuntos en los que:
- La figura 1 representa el esquema sinoptico del control implementado en el variador de velocidad para controlar el motor smcrono de imanes permanentes.
- Las figuras 2 y 3 ilustran los criterios implementados para detectar la perdida de una o varias fases en el motor.
La invencion consiste en detectar la perdida de una o varias fases en un motor electrico smcrono de imanes permanentes PMSM en marcha o en parada. Se implementa en un variador de velocidad que implementa un control que funciona en bucle cerrado, es decir con deteccion de velocidad o de la posicion realizada en el motor PMSM.
En referencia a la figura 1, en el control implementado en un variador de velocidad 1 para motor electrico smcrono de imanes permanentes PMSM, es conocido enviar una velocidad de referencia Wref, determinar una corriente de par de referencia Iqref a partir de la ley de control de velocidad LC empleada y devolver la medicion de la velocidad Wmes, por ejemplo resultante de un calculo a partir de un retorno de la posicion cuando se funciona en bucle cerrado. La corriente de par de referencia Iqref asf determinada se envfa a un bloque de control 10 que permite determinar unas tensiones de control Vq y Vd. Estas tensiones de control Vd, Vq se aplican a un bloque de control 11 que las transforma, por ejemplo mediante la transformacion de Park, en corrientes de control 11, 12, 13 a aplicar en las tres fases del motor de imanes permanentes PMSM.
La invencion consiste en inyectar en el control del motor una corriente de flujo de referencia Idref cuyo valor depende de la corriente de par de referencia Iqref determinada. La corriente de flujo de referencia Idref se aplica por tanto en la direccion del flujo permanente del iman del motor PMSM, es decir segun el eje de control, denominado eje de flujo. No debe aplicarse mas que cuando una corriente de par no es suficiente para la identificacion de la perdida de fases del motor. La corriente de flujo Idref se aplica asf segun una rampa de control determinada hasta alcanzar un valor final IdOPFcont. Mientras que la corriente de par de referencia Iqref sea inferior a este valor final IdOPFcont, la corriente de flujo de referencia Idref se incrementa segun su rampa de control hasta alcanzar su valor final IdOPFcont. La corriente de flujo de referencia Idref permanece en este valor IdOPFcont si la corriente de par de referencia Iqref no ha sobrepasado el valor de IdOPFcont. IdOPFcont vale por ejemplo el 10% de la corriente nominal del motor M. Este valor puede ajustarse en funcion de la potencia del variador de velocidad utilizado. Por el contrario, mientras
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que la corriente de par de referencia Iqref sea superior al valor IdOPFcont, la corriente de flujo de referencia Idref se disminuye segun la misma rampa de control hasta el valor cero. En la figura 1, la gestion de la corriente de flujo de referencia Idref se realiza en el bloque de control 13 del esquema sinoptico.
La rampa de control de la corriente de flujo de referencia se elige inferior a la duracion de la secuencia de deteccion de la perdida de fases. Segun los casos, la rampa de control es por ejemplo de 100 milisegundos o de 20 milisegundos. La duracion predefinida de la secuencia de deteccion es por ejemplo de 500 milisegundos.
Segun la invencion, la aplicacion de una corriente en la direccion del flujo del iman permite no crear perturbaciones en el motor cuando esta en marcha. En efecto, la inyeccion de una corriente de flujo no crea oscilaciones de par suplementarias porque la corriente se aplica segun unas rampas largas con relacion a la dinamica del sistema pero cortas con relacion al tiempo de deteccion del defecto. Por otro lado, no existe perdida de par porque la corriente de flujo de referencia Idref no se aplica mas que cuando la corriente de par de referencia Iqref es reducida.
Segun la invencion, con el fin de detectar la perdida de una fase, dos fases o tres fases cuando el motor esta en marcha o frenado en la parada, el variador de velocidad implementa diferentes etapas que tienen en cuenta diferentes criterios determinados ejecutados por el variador de velocidad.
La determinacion de la perdida de una o varias fases se realiza gracias a la medicion de las corrientes I1, I2, I3 inyectadas en las tres fases del motor. Es igualmente posible medir las corrientes en dos fases solamente y reconstituir la tercera corriente.
Las corrientes I1, I2, I3 obtenidas se tratan y transforman en un bloque de control 12 de manera que se obtenga una corriente de componente d y una corriente de componente q. Las dos corrientes Id, Iq asf determinadas se aplican en el bloque de control 10 con el fin de participar en la determinacion de las tensiones de control Vd, Vq en funcion de la corriente de par de referencia Iqref y de la corriente de flujo de referencia Idref.
Para la deteccion de la perdida de las tres fases cuando el motor esta en marcha, se aplica la condicion siguiente. Si el modulo de corriente eficaz Ieff, igual a ^/Id2 + Iq2 , aplicado en las tres fases del motor permanece inferior al valor lfmite IdOPFdiag de la corriente de flujo de referencia Idref, durante una duracion predefinida, por ejemplo de 500 milisegundos, se identifica el defecto de perdida de las tres fases.
Puede emplearse un contador de tiempo para realizar esta funcion. El contador se incrementa cada vez que la condicion se satisface y se disminuye cuando la condicion no se satisface. Cuando el contador de tiempo ha alcanzado la duracion predefinida, esto significa que ninguna de las tres fases del motor esta conectada al variador de velocidad.
Segun la invencion, IdOPFdiag puede ser igual a IdOPFcont pero para mayor robustez en la deteccion, IdOPFdiag se elige superior a IdOPFcont, por ejemplo IdOPFdiag = 1,5 x IdOPFcont.
Cuando el motor esta frenado en la parada, es decir con el freno apretado, la condicion de determinacion de la perdida de las tres fases es diferente. En este caso, se trata de comparar el modulo de la tension eficaz Veff a aplicar al motor con un valor lfmite predefinido, designado en el presente documento a continuacion UOPF igual por ejemplo al 37,5 % de la tension proporcionada en el bus de continua del variador de velocidad. De manera conocida,
el modulo de la tension eficaz Veff es igual a -^Vd2 + Vq2 ; determinandose la tension de par Vq y la tension de flujo Vd a partir de las corrientes Idref, Iqref y de las corrientes Id e Iq procedentes de las mediciones de las corrientes I1, I2, I3 (figura 2). De ese modo, si el modulo de la tension eficaz Veff aplicada al motor es mayor que el valor lfmite UOPF, esto significa que ninguna de las tres fases del motor PMSM esta conectada al variador de velocidad 1.
Para la determinacion de la perdida de una fase o de dos fases, los criterios de determinacion son diferentes dado que siempre circula una corriente en el motor incluso si falta una fase.
Cuando el motor PMSM esta en marcha, la deteccion de la perdida de una fase se realiza estudiando la variacion de los angulos de las corrientes medidas.
Para cada fase, si el modulo de la corriente medida para cada fase, I1, I2 o I3 es superior a valor IOPF123, el angulo 01, 02, 03 de cada una de las corrientes toma el valor medido del angulo 0 de la referencia giratoria del control. El angulo 0 se recupera a partir de la medicion de la velocidad o de la posicion realizada en el motor mediante unos procedimientos conocidos (figura 1). Por el contrario, si el modulo de la corriente medida en cada una de las fases es inferior al valor IOPF123, el angulo 01, 02, 03 de cada una de las corrientes conserva su valor anterior que es el ultimo valor correspondiente en el que el modulo de la corriente medida para cada fase era superior al valor IOPF123. IOPF123 puede ser un valor predefinido, en funcion de la corriente nominal del motor o, para mayor robustez, puede ser variable en funcion de la corriente eficaz (Ieff) calculada a partir de las corrientes 11, 12, 13 medidas. En este ultimo caso, IOPF123 es por ejemplo igual a la corriente eficaz Ieff dividida por cuatro.
A continuacion, se trata de estudiar la variacion en el transcurso del tiempo de cada uno de los angulos 01, 02, 03 con relacion a 0. Si los angulos 01, 02, 03 vanan poco o nada en absoluto en relacion a 0 durante una duracion
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predefinida, por ejemplo de 500 milisegundos, entonces la perdida de fase puede identificarse en la fase 1, en la fase 2 o en la fase 3. Como anteriormente puede utilizarse un contador de tiempo para cada fase. Este contador se incrementa o disminuye si la condicion se satisface o no.
En resumen:
Si |I2311 > |OPFi23| entonces el angulo 01, 02 o 03 es igual a 0,
Si |Ii23| ^ |OPFi23| entonces el angulo 01, 02 o 03 conserva su valor anterior.
Si |01-0| o |02-0| o |03-0| > 0mm durante una duracion predefinida, por ejemplo de 500 milisegundos, se identifica
la perdida de la fase 1, de la fase 2 o de la fase 3. Se elige por ejemplo 0mm igual a n/2.
La figura 3 muestra la variacion de un angulo 01, 02 o 03 en funcion de la corriente sinusoidal medida 11, 12 o 13
correspondiente. En esta figura 3, se observa que cuando la corriente es reducida, el valor del angulo 01, 02 o 03
correspondiente permanece constante.
Cuando el motor esta frenado en la parada, freno apretado, y cuando una o dos fases no estan correctamente conectadas, las tensiones de control Vd, Vq alcanzan rapidamente unos niveles inadmisibles. Asf como para la deteccion de la perdida de tres fases cuando el motor esta en marcha, el modulo de la tension eficaz Veff se convierte en superior al valor UOPF predeterminado, si esta condicion se satisface durante una duracion predefinida, por ejemplo 500 milisegundos, es posible concluir en la perdida de una fase. En esta situacion, como las corrientes inyectadas son sinusoidales, es necesario poder estar seguro de no obtener una corriente nula en una fase mientras que no lo es y concluir en la perdida de una fase mientras que no sea este el caso. Segun la invencion, la corriente de flujo Id que se inyecta en el bloque de control 10 se orienta entonces segun un angulo predefinido, por ejemplo de
valor cero, para el que se esta seguro que se obtendran corrientes si las tres fases estuviesen correctamente
conectadas. El angulo se mantiene con este valor durante la implementacion del procedimiento de deteccion.
Como el freno esta aplicado, la dinamica de la corriente de flujo de referencia no afecta a la dinamica del par, debido a ello, la corriente de flujo de referencia Idref puede alcanzar el nivel de la corriente IdOPFcont segun una rampa de control mas corta que cuando el motor esta en marcha, por ejemplo de 20 milisegundos. Es posible igualmente conferir a IdOPFcont un valor mayor por ejemplo del orden de la corriente nominal del motor.
Por supuesto que se puede, sin salirse del marco de la invencion, imaginar otras variantes y perfeccionamientos de detalle e incluso concebir el empleo de medios equivalentes.
Claims (11)
- 51015202530354045REIVINDICACIONES1. Procedimiento de implementacion en un variador de velocidad (1) para detectar una perdida de una fase, de dos fases o de tres fases en un motor smcrono trifasico de imanes permanentes (PMSM) en marcha o detenido en la parada, ejecutando dicho variador un control de funcionamiento en bucle cerrado, estando dicho procedimiento caracterizado porque incluye las etapas de:- determinacion de una corriente de flujo de referencia (Idref) en funcion de la corriente de par de referencia (Iqref), calculandose dicha corriente de par de referencia (Iqref) a partir de la velocidad de referencia (Wref) a aplicar al motor y de una medida de la velocidad (Wmes) o de la posicion realizada sobre el motor,- aplicacion de la corriente de flujo de referencia (Idref) con el fin de inyectar unas corrientes (I1, I2, I3) en las diferentes fases del motor (PMSM),- medida de las corrientes en al menos dos fases y determinacion de la perdida de una fase, de dos fases o de tres fases a partir de estas corrientes medidas.
- 2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado porque la perdida de una fase, de dos fases o de tres fases se determina al cabo de una duracion predefinida.
- 3. Procedimiento segun la reivindicacion 2, caracterizado porque la corriente de flujo de referencia se aplica segun una rampa de control inferior a la duracion predefinida.
- 4. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque si no se aplica ninguna corriente de par de referencia, se aplica una corriente de flujo de referencia minima para poder detectar la perdida de fases.
- 5. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la corriente de flujo de referencia (Idref) se incrementa hasta un valor final (IdOPFcont) segun una rampa de control mientras que la corriente de par de referencia (Iqref) sea inferior a dicho valor final (IdOPFcont).
- 6. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la corriente de flujo de referencia se disminuye hasta cero segun una rampa de control a partir del momento en el que la corriente de par de referencia es superior a un valor determinado (IdOPFcont).
- 7. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado porque incluye unas etapas de:- determinacion del modulo de corriente eficaz (Ieff) de las corrientes inyectadas (I1, I2, I3) en las tres fases,- comparacion del modulo de corriente eficaz (Ieff) determinado con un valor predeterminado (IdOPFdiag),- determinacion de la perdida de las tres fases del motor en marcha cuando el modulo de corriente eficaz (Ieff) permanece inferior al valor predeterminado (IdOPFdiag) durante una duracion predefinida.
- 8. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado porque incluye unas etapas de:- determinacion del modulo de la tension eficaz (Veff) a aplicar al motor (PMSM),- comparacion del modulo de la tension eficaz (Veff) con un valor predeterminado (UOPF),- determinacion de la perdida de una o varias fases del motor detenido en la parada cuando el modulo de la tension eficaz (Veff) permanece superior al valor predeterminado (UOPF) durante una duracion predefinida.
- 9. Procedimiento segun la reivindicacion 8, caracterizado porque cuando el motor esta detenido en la parada, incluye una etapa de determinacion de una corriente de flujo (Id) a partir de las corrientes inyectadas (I1, I2, I3) en cada fase y una etapa de aplicacion de esta corriente de flujo con un angulo predefinido.
- 10. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado porque incluye unas etapas de:- obtencion del angulo (0) de referencia giratoria del control,- comparacion del modulo de corriente eficaz (Ieff) aplicado en cada fase con un valor predeterminado (IOPF123),- en funcion de la comparacion, asignacion o no, del angulo de referencia giratoria a cada uno de los angulos (01, 02, 03) de las corrientes (11, 12, 13) inyectadas en las diferentes fases del motor,- estudio de la variacion de cada uno de los angulos (01, 02, 03) en el transcurso del tiempo y determinacion de la perdida de una fase del motor en marcha en funcion de este estudio.
- 11. Variador de velocidad (1) adecuado para implementar un control funcionando en bucle cerrado para controlar un motor electrico smcrono de imanes permanentes (PMSM), siendo adecuado dicho variador para implementar el procedimiento definido en una de las reivindicaciones 1 a 10.
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