ES2939008T3 - Método para controlar un vehículo eléctrico, en particular un vehículo ferroviario, dispositivo de control para un vehículo eléctrico, y vehículo ferroviario - Google Patents

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Abstract

La presente invención se refiere a un método para controlar un vehículo eléctrico (1), en particular un vehículo ferroviario, que tiene una máquina eléctrica trifásica (7) para acelerar y/o desacelerar el vehículo, la máquina eléctrica trifásica incluye un estator y un rotor, comprendiendo el método las siguientes etapas: determinar una corriente (I1) de una primera fase de la máquina eléctrica trifásica, determinar una corriente (I2) de una segunda fase de la máquina eléctrica trifásica, determinar la posición angular (p) del rotor, y determinando un par estimado de la máquina eléctrica trifásica en base a la corriente de la primera fase, la corriente de la segunda fase y la posición angular del rotor, controlando el vehículo eléctrico en base al par estimado. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método para controlar un vehículo eléctrico, en particular un vehículo ferroviario, dispositivo de control para un vehículo eléctrico, y vehículo ferroviario
La presente invención se refiere a un método para controlar un vehículo ferroviario que tiene una máquina eléctrica trifásica para acelerar y/o desacelerar el vehículo, incluyendo la máquina eléctrica trifásica un estátor y un rotor. Además, la presente invención se refiere a un dispositivo de control para un vehículo ferroviario, que tiene una máquina eléctrica trifásica para acelerar y/o desacelerar el vehículo, incluyendo la máquina eléctrica trifásica un estátor y un rotor. Por último, la presente invención se refiere a un vehículo ferroviario que incluye tal dispositivo de control.
El documento WO 2014/084009 A1 se refiere a un dispositivo de control de motor eléctrico para controlar un motor síncrono de imán permanente. El dispositivo de control incluye dos detectores de corriente y un detector de posición. Las corrientes de fase se convierten en corriente id e iq utilizando la posición 0 del rotor.
El documento US 2011/276243 A1 se refiere a un sistema de frenado que es un sistema combinado que proporciona frenado tanto regenerativo como convencional con un freno de fricción. Se mide la potencia de entrada y la potencia de salida de un motor. El sistema de frenado incluye un controlador y uno o más controladores adicionales. Los frenos de fricción y las unidades de frenado regenerativo son controlados por el controlador.
El documento US2003193310 A1 se refiere a motores eléctricos en aplicaciones de vehículos híbridos. Se comparan dos pares estimados.
El documento US4651071 A se refiere a un sistema de control de freno para un vehículo ferroviario.
En vehículos ferroviarios, la máquina eléctrica se utiliza para reducir la velocidad del tren. Por ejemplo, la máquina eléctrica se conmuta a un modo generador para dicho propósito. A continuación, debe estimarse el par de frenado. De forma típica, se utilizan tablas de consulta en las que los valores de par se almacenan en correspondencia con los pares de corriente y velocidad.
El objeto de la invención es proporcionar un sistema mejorado para estimar el par, que tiene una alta seguridad operativa y es económico.
La invención se define en las reivindicaciones adjuntas.
Según un aspecto, se proporciona el método para controlar un vehículo ferroviario según la reivindicación 1.
Otras realizaciones pueden incluir las siguientes características, que pueden combinarse en cualquier combinación técnica viable:
- la corriente de la primera fase y la corriente de la segunda fase de la máquina eléctrica trifásica se miden con un primer dispositivo de medición, en particular mediante una bobina de Rogowsky;
- el par estimado se calcula utilizando la siguiente ecuación: Cem= 3np ((Ld-Lq)ldlq+Oolq), en donde Cem es el par estimado, np son los polos de par de la máquina eléctrica, Ld y Lq son las inductancias de la máquina eléctrica en un sistema de coordenadas giratorio que gira con la velocidad del rotor de la máquina eléctrica, Id, lq son las corrientes de fase de la máquina eléctrica en el sistema de coordenadas giratorio, y Oü es el flujo de la máquina eléctrica; - la corriente de la primera fase y la corriente de la segunda fase se transforman, basándose en la posición angular del rotor, a corrientes de la máquina eléctrica en el sistema de coordenadas giratorio;
- las corrientes de la máquina eléctrica, en particular la máquina eléctrica en el sistema de coordenadas giratorio, son filtradas con un filtro de paso bajo antes de determinar el par estimado.
- la máquina eléctrica es una máquina eléctrica de imán permanente.
Según un aspecto adicional, se proporciona un segundo controlador para un vehículo ferroviario según la reivindicación 7.
Otras realizaciones pueden incluir las siguientes características:
Según otro aspecto, un vehículo ferroviario que tiene una máquina eléctrica trifásica para acelerar y/o desacelerar el vehículo ferroviario, incluyendo la máquina eléctrica trifásica un estátor y un rotor, en donde el vehículo ferroviario incluye un segundo controlador según una realización descrita en la presente memoria.
La forma en que pueden entenderse en detalles las características mencionadas anteriormente de la presente invención, puede ser leyendo una descripción más detallada de la invención, resumida anteriormente, con referencia a las realizaciones. Los dibujos adjuntos se refieren a realizaciones de la invención y se describen a continuación:
La Figura 1 muestra esquemáticamente un vehículo ferroviario 1 según una realización de la invención,
la Figura 2 muestra un diagrama de flujo de un método para controlar un vehículo eléctrico según una realización;
la Figura 3 muestra un diagrama de flujo para estimar el par de frenado; y
la Figura 4 muestra varias curvas del par estimado con respecto al par real y la velocidad del vehículo y la rueda.
En la Figura 1 se muestra un vehículo eléctrico, en particular un vehículo ferroviario 1. El vehículo ferroviario 1 se mueve sobre una vía 3 y comprende un cuerpo 4. El vehículo ferroviario 1 incluye un primer controlador 5, que controla la máquina eléctrica 7. La máquina eléctrica 7 puede funcionar en modo motor y en modo generador. En el modo motor, el vehículo ferroviario 1 acelera. En el modo generador, el vehículo ferroviario 1 desacelera. En otras palabras, la máquina eléctrica 7 funciona como un freno electrodinámico.
Según una realización, la máquina eléctrica 7 es una máquina eléctrica de imán permanente trifásica. La máquina eléctrica 7 comprende un rotor, que puede conectarse o conectado a las ruedas 8, y un estátor que es estacionario con respecto al cuerpo del vehículo ferroviario.
Además, el vehículo ferroviario está provisto de una pluralidad de frenos 9 de fricción. Los frenos 9 de fricción (o frenos mecánicos) están adaptados para desacelerar la velocidad del vehículo ferroviario 1. Por ejemplo, pueden actuar directamente sobre las ruedas 8 o los ejes (no mostrados) del vehículo ferroviario 1.
Además, el primer controlador 5 controla de forma general la velocidad del vehículo ferroviario 1 utilizando la máquina eléctrica 7, y los frenos 9 de fricción. Además, el primer controlador está adaptado para controlar el par de frenado o de forma general el par de la máquina eléctrica 7.
Además, el vehículo ferroviario 1 también comprende un segundo controlador 12. El segundo controlador 12 también está adaptado para estimar el par de frenado del vehículo ferroviario 1. Por ejemplo, el segundo controlador 12 se utiliza para una estimación de par de frenado redundante.
Para este fin, el segundo controlador 12 está conectado a primeros dispositivos 14 de medición para medir la corriente en al menos dos fases de la máquina eléctrica 7. Además, el segundo controlador 12 está conectado a un segundo dispositivo 16 de medición para medir el ángulo, la velocidad de giro u otro valor para determinar la posición del rotor de la máquina eléctrica 7. Por ejemplo, el segundo dispositivo 16 de medición puede ser un sensor óptico (codificador) o un sensor electromagnético (resolver).
Según algunas realizaciones, el primer controlador 5 está adaptado para proporcionar al segundo controlador 12 un par de frenado de referencia.
La Figura 2 muestra un diagrama de flujo de una realización de un método según la invención y la Figura 3 muestra un diagrama de flujo más detallado para estimar el par de frenado, por ejemplo, según lo realizado por el segundo controlador 12.
En una primera etapa 17, se miden al menos dos corrientes I1, I2 de fase proporcionadas a, o generadas por, la máquina eléctrica 7. Por ejemplo, es posible utilizar bobinas de Rogowsky para tal fin. También se pueden utilizar otros métodos para medir o determinar las corrientes de fase de la máquina eléctrica 7. En otras realizaciones, los valores de medición se proporcionan al segundo controlador 12, que permiten que el segundo controlador 12 determine al menos dos corrientes I1, I2 de fase de las tres corrientes de fase de la máquina eléctrica 7, en particular en el caso de un estátor con una conexión de estrella aislada.
Además, en la etapa 18, se determina el ángulo del rotor con respecto al estátor de la máquina eléctrica 7. Por ejemplo, el segundo dispositivo 16 de medición está adaptado para determinar directamente el ángulo p (rho) del rotor con respecto al estátor. En otras realizaciones, el dispositivo 14 de medición determina la velocidad de giro y la proporciona al segundo controlador 12. En otras palabras, el dispositivo 14 de medición está adaptado para proporcionar un valor de medición al segundo controlador 12 que permite que el segundo controlador determine el ángulo p del rotor con respecto al estátor. Según una realización, el segundo controlador 12 transforma las al menos dos corrientes I1, I2 de fase y el ángulo p (rho) en las corrientes Id e Iq en la etapa 20. Los valores o vectores para las corrientes Id e Iq, que son ortogonales entre sí, giran con la velocidad del rotor. En otras palabras, Id, Iq son las corrientes de fase de la máquina eléctrica en un sistema de coordenadas giratorio que gira con la velocidad de giro del rotor. Id e Iq también pueden denominarse corrientes directa y de cuadratura. En otras palabras, el segundo controlador 12 está adaptado para realizar en la etapa 20 una transformación de cuadratura directa cero.
Con más detalle, en un bloque 22, las corrientes I1, I2 de fase se transforman en corrientes la, Ib de fase de la máquina eléctrica en un marco fijo, por ejemplo, utilizando una transformación de Park. En una realización, la tercera corriente I3 de fase también se calcula en la etapa 22 a partir de la primera y segunda corrientes I1, I2 de fase. En otra, el primer dispositivo de medición también mide la tercera corriente I3 de fase, de modo que puede evitarse un cálculo de la tercera corriente de fase.
En el bloque 24, las corrientes la, Ib de la máquina eléctrica se transforman a Id, Iq sobre la base del ángulo p (rho) del estátor.
En los bloques 26 y 28 o la etapa 30, las corrientes eléctricas de la máquina eléctrica en el marco de referencia giratorio se filtran utilizando un filtro de paso bajo. Por ejemplo, la frecuencia de corte está entre 10 Hz y 50 Hz, en particular, 10 Hz, como se muestra en la realización de la Fig. 4. En particular, los filtros 26, 28 de paso bajo se proporcionan principalmente para reducir la ondulación debida a las conmutaciones PWM y, en segundo término, para reducir el ruido digital inducido por la cuantificación.
En el bloque 32, el par estimado se calcula basado en las corrientes Id, Iq transformadas y filtradas en el marco giratorio. Por ejemplo, para tal fin es posible utilizar la siguiente fórmula:
Cem= 3np ((Ld-Lq)IdIq+$0Iq), en donde Cem es el par estimado, np son los polos de par de la máquina eléctrica, Ld y Lq son las inductancias de la máquina eléctrica con respecto al marco giratorio, Id, Iq son las corrientes de fase de la máquina eléctrica en un sistema de coordenadas giratorio que gira con la velocidad de giro del rotor y O0 es el flujo de la máquina eléctrica. En la ecuación de la Figura 3 u(1) y u(2) corresponden a las corrientes filtradas Id e Iq. En particular, Ld y Lq son las inductancias de la máquina eléctrica en el sistema d q, en otras palabras, Ld y Lq son las inductancias directa y de cuadratura de la máquina eléctrica.
En una etapa adicional 34, el par estimado de la máquina eléctrica 7 se compara con un par de referencia (frenado), que es un par demandado, del primer controlador 5. Para ello, el par de referencia se proporciona del primer controlador 5 al segundo controlador 12. En otras realizaciones, el segundo controlador 12 proporciona el par estimado (frenado) de la máquina eléctrica 7 al primer controlador 5.
Si existe una diferencia de más de 15 %, en particular, de más de 20 %, entre el par de referencia y el par estimado, el primer o segundo controlador 5, 12 activa los frenos 9 de fricción. En otras realizaciones, el primer o segundo controlador 5, 12 energizará entonces un relé de comprobación de par, que está adaptado para activar los frenos 9 de fricción. En otras palabras, el par estimado se compara con un intervalo de par del par de referencia. Basándose en la comparación del par estimado y el par de referencia, se activan los frenos de fricción.
En algunas realizaciones, la diferencia permitida entre el par estimado y el par de referencia es ajustable.
La Figura 4 muestra varias curvas, en particular el par de frenado de demanda por parte del primer controlador 5 (curva 40), una curva 42 del par estimado por un estimador de par más sofisticado en el primer controlador 5, una curva 44 del par estimado según la presente invención, y una curva 46 de un par de referencia. En el segundo gráfico, se muestra la velocidad de un tren y la velocidad de una rueda. Como puede observarse, un estimador de par más simplificado puede detectar también un fallo de par.
El método y el segundo dispositivo de control proporcionan una solución simple y económica para estimar el par de la máquina eléctrica 7. En otras palabras, la evaluación del par de la máquina eléctrica no tiene en cuenta la evaluación de la frecuencia fundamental de un inversor del vehículo ferroviario y la compensación de los filtros antialiasing en las corrientes de fase, por ejemplo, una compensación de ángulo relacionada con lo anteriormente descrito. En otras palabras, es posible obtener un tiempo de muestreo reducido y el uso de una placa electrónica de bajo coste.
Debe señalarse que el dispositivo y el método de control no solo podrían aplicarse para vehículos ferroviarios, sino también para otros vehículos eléctricos que circulan por una calle, como trolebuses.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Método para controlar un vehículo ferroviario que tiene una máquina (7) eléctrica trifásica para acelerar y/o desacelerar el vehículo, incluyendo la máquina eléctrica trifásica un estátor y un rotor, en donde el vehículo incluye además al menos un freno de fricción para desacelerar el vehículo y un primer controlador (5) adaptado para controlar el par de frenado de la máquina eléctrica (7) y un segundo controlador (12) adaptado para una estimación de par de frenado redundante, comprendiendo el método las siguientes etapas: controlar el par de frenado de la máquina eléctrica mediante el primer controlador (5),
    determinar una corriente (I1) de una primera fase de la máquina eléctrica trifásica,
    determinar una corriente (I2) de una segunda fase de la máquina eléctrica trifásica,
    determinar la posición angular (p) del rotor,
    determinar, mediante el segundo controlador (12), un par estimado de la máquina eléctrica trifásica basado en la corriente de la primera fase, la corriente de la segunda fase y la posición angular del rotor, y controlar el vehículo eléctrico basándose en el par estimado, que comprende:
    comparar el par estimado con un par de referencia proporcionado por el primer controlador (5), en donde el par de referencia es un par demandado, y
    activar el al menos un freno (9) de fricción si el par estimado está por encima de una desviación predeterminada con respecto al par de referencia.
  2. 2. Método según la reivindicación 1, en donde la corriente de la primera fase y la corriente de la segunda fase de la máquina eléctrica trifásica se miden con un primer dispositivo de medición (14), en particular mediante una bobina de Rogowsky.
  3. 3. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el par estimado se calcula utilizando la siguiente ecuación:
    Cem= 3np ((Ld-Lq)IdIq+OüIq), en donde Cem es el par estimado, np son los polos de par de la máquina eléctrica, Ld y Lq son las inductancias de la máquina eléctrica en un sistema de coordenadas giratorio que gira con la velocidad del rotor de la máquina eléctrica (7), Id, Iq son las corrientes de fase de la máquina eléctrica en el sistema de coordenadas giratorio, y Oü es el flujo de la máquina eléctrica.
  4. 4. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la corriente de la primera fase y la corriente de la segunda fase se transforman, basándose en la posición angular del rotor, a corrientes (Id, Iq) de la máquina eléctrica en el sistema de coordenadas giratorio.
  5. 5. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las corrientes de la máquina eléctrica (I1, I2, Id, Iq), en particular la máquina eléctrica (Id, Iq) en el sistema de coordenadas giratorio, son filtradas con un filtro de paso bajo antes de determinar el par estimado.
  6. 6. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la máquina eléctrica (7) es una máquina eléctrica de imán permanente.
  7. 7. Un segundo controlador (12) para un vehículo ferroviario que tiene una máquina (7) eléctrica trifásica para acelerar y/o desacelerar el vehículo, incluyendo la máquina eléctrica trifásica un estátor y un rotor, en donde el vehículo incluye además al menos un freno de fricción para desacelerar el vehículo y un primer controlador (5) adaptado para controlar el par de frenado de la máquina eléctrica (7), en donde el segundo controlador está adaptado para una estimación de par de frenado redundante, estando adaptado el segundo controlador (12) para determinar la corriente (I1) de una primera fase de la máquina eléctrica trifásica, para determinar la corriente (I2) de una segunda fase de la máquina eléctrica trifásica, para determinar la posición angular (p) del rotor, y para determinar un par estimado de la máquina eléctrica trifásica basándose en la corriente de la primera fase, la corriente de la segunda fase y la posición angular del rotor, en donde el segundo controlador (12) está adaptado además para controlar el vehículo basándose en el par estimado, en donde el segundo controlador (12) está adaptado además para comparar el par estimado con un par de referencia proporcionado por el primer controlador (5), en donde el par de referencia es un par demandado, y para activar el al menos un freno de fricción si el par estimado está por encima de una desviación predeterminada con respecto al par de referencia.
  8. 8. Vehículo ferroviario (1) que tiene una máquina eléctrica trifásica para acelerar y/o desacelerar el vehículo ferroviario, incluyendo la máquina eléctrica trifásica un estátor y un rotor, en donde el vehículo ferroviario incluye un segundo controlador según la reivindicación 7.
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