MX2012009158A - Metodo para controlar una maquina o una carga electrica suministrada con energia electrica a traves de una linea larga. - Google Patents

Abstract

La invención comprende un controlador de excitación dispuesto para proporcionar energía eléctrica desde un suministro de energía (10) a una máquina (8) o carga, a través de un cable largo de energía de AC del orden de kilómetros. El controlador de excitación (4) está dispuesto con circuitos y/o procesos de control para proporcionar corriente de AC a una relación constante de voltaje y frecuencia a dicha máquina (8) o carga. El controlador de excitación mantiene voltaje y frecuencia en las terminales de la máquina a pesar de las fluctuaciones en voltaje y/o frecuencia que ordinariamente serían provocadas por la carga. Esto se hace mediante la estimación de voltaje y corriente en las terminales de la máquina y la adaptación de la salida del controlador de excitación en consecuencia para variar activamente la salida del convertidor que depende de la carga de la máquina u otra carga. En otros aspectos de la invención, se describen un método y un programa de computadora para llevar a cabo el método.

Description

MÉTODO PARA CONTROLAR UNA MÁQUINA O UNA CARGA ELÉCTRICA SUMINISTRADA CON ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DE UNA LÍNEA LARGA CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un método para controlar una carga eléctrica o máquina la cual es suministrada con energía de AC a través de una línea larga. La carga o máquina puede ser suministrada por un controlador de motor tal como una fuente de energía de frecuencia variable, un inversor de energía de frecuencia variable o convertidor. Es particularmente conveniente cuando se utiliza para controlar una carga eléctrica o máquina en una instalación para producción, distribución y/o procesamiento en la industria de petróleo y gas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Cuando se alimenta energía de AC a través de cables largos en sistemas de transmisión que alimentan una carga eléctrica (máquinas/u otras cargas) , el voltaje en el extremo del consumidor estará fuertemente influenciado por el consumo de carga eléctrica por el consumidor. Un ejemplo de dicho cable largo es un cable de algunos kilómetros de longitud que conecta un suministro de energía en tierra a un transformador o a un motor o una bomba instalada en el mar. En el campo de exploración y producción de petróleo y gas, dichas cargas o máquinas pueden estar montadas por ejemplo en el fondo del mar decenas de kilómetros alejadas de la tierra o del lado superior de una plataforma. El equipo eléctrico tal como una bomba submarina de múltiples fases o bomba elevadora de presión o un compresor submarino utilizados en la producción de petróleo y gas o instalaciones de transferencia se puede operar bajo el agua, p.ej., en el fondo del mar, a profundidades de 1000 metros, o más.

Cuando un cable de energía se vuelve muy largo y/o la frecuencia se vuelve muy alta, el voltaje se hace todavía más dependiente del consumo de carga eléctrica por el consumador o unidad de consumo, y en un punto ya no es posible mantener el voltaje dentro de los límites aceptables sin hacer acciones activas, ejemplos de las cuales pueden ser: 1. Control activo de voltaje en las terminales del motor utilizando realimentación de voltaje medido del motor con regulación de voltaje en el extremo emisor del cable. 2. Control de energía reactiva por medio de agregar reactores en el extremo emisor, o extremo receptor, compensación estática de vars (compensación de energía reactiva de acción rápida), o equipo similar.

Una solución seria medir el voltaje en el extremo de transmisión, esto es el extremo de carga, y utilizar esto como realimentación para control de circuito cerrado de voltaje. Sin embargo, esto se puede volver una solución más costosa y desafiante especialmente para sistemas submarinos, ya que esto llevará a la instalación de equipamiento adicional submarino. Otro reto técnico es la penetración adicional del equipo submarino y la medición de transferencia de enlace del sistema de control de convertidor. La penetración del agua en el mar y la presión del agua en profundidades submarinas son problemas técnicos adicionales. Este tipo de solución puede entonces crear retos técnicos y cuestiones con relación a la estabilidad del sistema en el caso de falla de un componente.

El documento JP5122806 describe un método para controlar un motor sincrónico lineal para un vehículo de ferrocarril. El método incluye calcular una corrección por la caída de voltaje debido a la posición del vehículo a lo largo de la longitud de la línea de alimentación.

El documento US2009/0256519 divulga un método y programa para la compensación de pérdida de cable en un sistema eléctrico de bomba sumergible. Este documento divulga una bomba sumergible excitada eléctricamente en un pozo. La bomba es suministrada por un controlador de voltaje, el cual se comunica con un sensor de corriente, y el cual ajusta la salida de la fuente de energía utilizando mediciones del sensor para calcular una caída de voltaje como producto de la corriente e impedancia del cable.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN El objetivo de la presente invención es remediar uno o más de los problemas mencionados anteriormente. Este y otros objetivos se obtienen mediante el método caracterizado en las reivindicaciones.

De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se divulga un método para controlar una máquina o una carga eléctrica suministrada por un controlador de excitación de velocidad variable a través de un cable largo de energía de AC, en cuyo método dicho controlador de excitación de velocidad variable se opera para proporcionar corriente de AC a dicha carga o máquina a una relación sustancialmente constante de voltaje y frecuencia al obtener un estimado o medición de una salida de corriente y voltaje (Vconv) en dicho controlador de excitación, dicho método comprende calcular un voltaje estimado (Vm_est) en las terminales de dicha máquina o carga eléctrica y agregar una diferencia entre el estimado y la salida para controlar el controlador de excitación para proporcionar dicha relación constante de voltaje y frecuencia en las terminales de dicha carga o máquina con base en el voltaje estimado en las terminales.

De acuerdo con una modalidad de la invención, se proporciona un método para controlar una máquina o una carga eléctrica suministrada por un controlador de excitación de velocidad variable a través de un cable largo de energía de AC, en cuyo método se calcula o se modela un voltaje estimado (Vm_est) en las terminales de dicha máquina o carga eléctrica y una diferencia entre el estimado y la salida se agrega para controlar el controlador de excitación de velocidad variable para proporcionar una relación sustancialmente constante de voltaje y frecuencia en las terminales de dicha carga o máquina con base en el voltaje estimado en las terminales, dicho método también comprende calcular la salida estimada de corriente y voltaje en dicho controlador de excitación con base en un voltaje interno del convertidor con referencia al modulador como referencia para transformación de dq.

De acuerdo con otra modalidad de la invención, se proporciona un método para controlar una máquina o una carga eléctrica suministrada por un controlador de excitación a través de un cable largo de energía de AC, en dicho método, dicho controlador de excitación se opera para proporcionar una corriente de AC a dicha carga o máquina en una relación sustancialmente constante de voltaje y frecuencia, dicho método comprende calcular o modelar un voltaje estimado (Vm_est) en las terminales de dicha máquina o carga eléctrica y agregar una diferencia entre el estimado y la salida para controlar el controlador de excitación para proporcionar dicha relación constante de voltaje y frecuencia en las terminales de dicha carga o máquina con base en el voltaje estimado en las terminales, dicho método además comprende proporcionar la diferencia entre el estimado de voltaje (Vm_est) y la salida de voltaje (Vconv) para un controlador de adición de voltaje dispuesto para controlar el controlador de excitación de velocidad variable y compensar la diferencia, proporcionando de esta manera dicha relación constante de voltaje y frecuencia en las terminales de dicha máquina o carga eléctrica.

De acuerdo con otra modalidad de la invención, se proporciona un método para controlar una máquina o una carga eléctrica suministrada por un controlador de excitación de velocidad variable a través de un cable largo de energía de AC, en cuyo método se calcula un voltaje estimado (Vm_est) en las terminales de dicha máquina o carga eléctrica y se agrega una diferencia entre el estimado y la salida al controlador de excitación de velocidad variable en relación sustancialmente constante de voltaje y velocidad en las terminales de dicha carga o máquina con base en el voltaje estimado en las terminales, dicho método también comprende calcular un voltaje estimado (Vm_est) y corriente estimada en las terminales de dicha máquina o carga eléctrica y proporcionar uno o más estimados de corriente en las terminales de la máquina a un monitoreo o proceso de control del controlador de excitación de velocidad variable.

De acuerdo con una modalidad de la invención se proporciona un método para controlar una máquina o una carga eléctrica suministrada por un controlador de excitación de velocidad variable a través de un cable largo de energía de AC, en cuyo método se calcula un voltaje estimado (Vm_est) en las terminales de dicha máquina o carga eléctrica y se agrega una diferencia entre el estimado y la salida para controlar el controlador de excitación de velocidad variable para proporcionar una relación sustancialmente constante de voltaje y frecuencia en las terminales de dicha carga o máquina con base en el voltaje estimado en las terminales, dicho método también comprende calcular uno o más estimados de corriente en las terminales de la máquina y comparar los valores de corriente estimada con límites predeterminados de corriente con el propósito de proporcionar protección térmica de la máquina o carga eléctrica.

De acuerdo con una modalidad de la invención, se proporciona un método para controlar una máquina o una carga eléctrica suministrada por un controlador de excitación de velocidad variable a través de un cable largo de energía de AC, en cuyo método se calcula un voltaje estimado (Vm_est) en las terminales de dicha máquina o carga eléctrica y se agrega una diferencia entre el estimado y la salida para controlar el controlador de excitación para proporcionar una relación sustancialmente constante de voltaje y frecuencia en las terminales de dicha carga o máquina con base en el voltaje estimado en las terminales, dicho método también comprende calcular uno o más estimados de corriente en las terminales de la máquina y comparar los valores de corriente estimada con límites de corriente predefinidos y proporcionar datos que dependen de la comparación con un proceso de control de dicho controlador de excitación para el propósito de proporcionar protección térmica de la máquina o carga eléctrica .

Durante el desarrollo para un proyecto submarino de petróleo y gas en el Mar del Norte fuera de la costa de Norway, el inventor desarrolló una solución para los problemas anteriores. La solución involucra estimar o calcular voltaje y corriente en las terminales de la máquina (extremo de carga) al utilizar voltaje y corriente de salida internos del convertidor, calculados y medidos. Este voltaje estimado en las terminales de la máquina se utiliza como realimentación para un controlador de adición de voltaje en el convertidor para controlar el voltaje de salida del convertidor para obtener una relación constante de voltaje/frecuencia en las terminales del motor. Esta solución no necesita datos acerca de la máquina y también se puede utilizar para otras cargas eléctricas, ya que la carga no es parte del cálculo.

El algoritmo o modelo utiliza el voltaje interno del convertidor con referencia al modulador como referencia para transformación de dq. Los componentes dq de la corriente de salida del convertidor se calculan entonces y se filtran ya que el filtrado de componentes dq (señales de DC) no crearán un cambio de fase.

El calculador de voltaje y corriente del motor necesita estar parametrizado con los datos eléctricos de cualquier transformador elevador y/o reductor y el cable, como será descrito a mayor detalle en las siguientes secciones.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, se proporciona un suministro de energía en la forma de un controlador de velocidad variable que está dispuesto para proporcionar energía eléctrica desde un suministro de energía a una máquina o una carga eléctrica, cuya energía es suministrada por dicho controlador de excitación de velocidad variable a través de un cable largo de energía de AC, en donde la corriente de AC se proporciona a una relación sustancialmente constante de voltaje y frecuencia a dicha máquina o carga eléctrica, dicho controlador de excitación de velocidad variable está dispuesto con un circuito estimador para estimar y/o medir una salida de corriente y voltaje (Vconv) en dicho controlador de excitación, caracterizado porque dicho controlador de excitación comprende un circuito de cálculo para calcular un valor estimado del voltaje en las terminales de dicha máquina o carga eléctrica, y un circuito de comparación para comparar la salida de voltaje (Vconv) con el voltaje estimado (Vm_est) en las terminales de la máquina para identificar cualquier diferencia, en donde dicho controlador de excitación de velocidad variable además está adaptado para llevar a cabo una compensación por la diferencia y controlar la salida del controlador para proporcionar dicha relación constante de voltaje y frecuencia en las terminales de dicha máquina o carga eléctrica con base en el voltaje estimado (Vm_est) en las terminales.

De acuerdo con una modalidad de la invención, se proporciona un suministro de energía en la forma de un controlador de velocidad variable el cual está dispuesto para proporcionar energía eléctrica desde un suministro de energía a una máquina o una carga eléctrica, dicho controlador de excitación de velocidad variable está dispuesto con un circuito estimador para modelar y/o medir una salida de corriente y voltaje (Vconv) en dicho controlador de excitación, dicho controlador de excitación comprende un circuito de cálculo para calcular un valor estimado de voltaje en las terminales de dicha máquina o carga eléctrica, y un circuito de comparación para comparar la salida de voltaje (Vconv) con el voltaje estimado (Vm_est) en las terminales de la máquina para identificar cualquier diferencia, en donde dicho circuito estimador para calcular una corriente estimada y salida de voltaje en dicho controlador de excitación utiliza un voltaje interno del convertidor con referencia al modulador como referencia para transformación de dq.

De acuerdo con otra modalidad de la invención, se proporciona un suministro de energía en la forma de un controlador de velocidad variable el cual está dispuesto para proporcionar energía eléctrica desde un suministro de energía a una máquina o una carga eléctrica, cuya energía es suministrada a una relación sustancialmente constante de voltaje y frecuencia a dicha máquina o carga eléctrica, dicho controlador de excitación de velocidad variable está dispuesto con un circuito estimador para estimar y/o medir una salida de corriente y voltaje (Vconv) en dicho controlador de excitación, dicho controlador de excitación comprende un circuito de cálculo para calcular un valor estimado de voltaje en las terminales de dicha máquina o carga eléctrica, y un circuito de comparación para comparar la salida de voltaje (Vconv) con el voltaje estimado (Vm_est) en las terminales de la máquina para identificar una diferencia, en donde un controlador de adición de voltaje está provisto con la diferencia entre el voltaje de salida (Vconv) en dicho controlador de excitación y el voltaje estimado (Vm_est) en las terminales y está dispuesto para controlar el controlador de excitación con base en cualquier diferencia que exista, proporcionando asi dicha relación constante de voltaje y frecuencia en las terminales de dicha máquina o carga eléctrica.

De acuerdo con otra modalidad de la invención, se proporciona un suministro de energía en la forma de un controlador de velocidad variable del cual está dispuesto para proporcionar energía eléctrica desde un suministro de energía a una máquina o una carga eléctrica a una relación sustancialmente constante de voltaje y frecuencia a dicha máquina o carga eléctrica, dicho controlador de excitación de velocidad variable está dispuesto con un circuito estimador para estimar y/o medir una salida de corriente y voltaje (Vconv) en dicho controlador de excitación, en donde dicho controlador de excitación comprende un circuito de cálculo para calcular un valor estimado de voltaje en las terminales de dicha máquina o carga eléctrica, y un circuito de comparación para comparar la salida de voltaje (Vconv) con el voltaje estimado (Vm_est) en las terminales de la máquina para identificar cualquier diferencia, en donde dicho circuito estimador o proceso para calcular un voltaje estimado (Vm_est) y corriente en las terminales de dicha máquina o carga eléctrica está dispuesto para proporcionar uno o más estimados de corriente en las terminales de la máquina a un control o proceso de monitoreo de dicho controlador de excitación.

De acuerdo con otra modalidad de la invención, se proporciona un suministro de energía en la forma de un controlador de velocidad variable el cual está dispuesto para proporcionar energía eléctrica desde un suministro de energía a una máquina o carga eléctrica a una relación sustancialmente constante de voltaje y frecuencia a dicha máquina o carga eléctrica, dicho controlador de excitación de velocidad variable está dispuesto con un circuito estimador para estimar y/o medir una salida de corriente y voltaje (Vconv) en dicho controlador de excitación, en donde dicho controlador de excitación comprende un circuito de cálculo para calcular un valor estimado de voltaje en las terminales de dicha máquina o carga eléctrica, y un circuito de comparación para comparar la salida de voltaje (Vconv) con el voltaje estimado (Vm_est) en las terminales de la máquina para identificar cualquier diferencia, en donde dicho controlador de excitación de velocidad variable comprende un circuito estimador o proceso para calcular uno o más estimados de corriente en las terminales de la máquina y proporcionar los estimados a un proceso en dicho controlador de excitación para comparar uno o más valores de corriente con limites predeterminados de corriente para el propósito de proporcionar protección térmica de la máquina o carga eléctrica .

En otro aspecto de la invención se divulga un programa de computadora, un programa de computadora almacenado en un dispositivo de almacenamiento de memoria, y un programa de computadora grabado en un medio legible por computadora, cuyo programa es adecuado para su uso con una unidad de procesamiento que tiene una memoria interna en la que se pueden cargar porciones de código de software del programa de computadora o producto de programa de computadora.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Se puede tener un entendimiento más completo del método y sistema de la presente invención con referencia a la siguiente descripción detallada cuando se toma en conjunto con los dibujos de acompañamiento, en donde: La Figura 1 muestra un diagrama esquemático de un modelo de un circuito que se utiliza en un método para calcular el voltaje en las terminales de la máquina de acuerdo con una modalidad de la invención.

La Figura 2 muestra la invención de la Figura 1 y en particular un esquema para un circuito eléctrico con el cual se practica el método de la invención de acuerdo con una modalidad de la invención.

La Figura 3 muestra la invención de la Figura 1 en un diagrama simplificado y muestra en particular un acomodo de un circuito eléctrico de acuerdo con una modalidad de la invención .

La Figura 4 muestra la invención de la Figura 1 y más particularmente muestra un diagrama de flujo esquemático para el método de acuerdo con una modalidad de la invención.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION La Figura 2 muestra un diagrama esquemático de los componentes eléctricos principales involucrados en la práctica de la invención. Muestra, de izquierda a derecha, un suministro de energía 10, un transformador de entrada 11, un convertidor/inversor de energía de frecuencia variable o convertidor 4, y un transformador 5 que es un transformador elevador. El transformador 5 se conecta a una línea larga de suministro de energía o cable 6 que se opera en este ejemplo a un voltaje alto de 40 kV o más. La línea larga de energía de alto voltaje 6 está además conectada a un transformador 7, en este caso un transformador reductor, y el transformador 7 después de ahí está conectado a una máquina 8 o una carga de consumo eléctrico que funciona en este ejemplo en el rango de 4-6 kV.

Para resumir, la energía es suministrada a un convertidor/inversor de energía, que también se puede describir como un excitador de velocidad variable, que proporciona energía de AC elevada en un primer transformador 5 en el extremo del convertidor, aplicada en alto voltaje a través de la línea larga 6, reducida en un segundo transformador 7 en el extremo de la máquina, y suministrada a la máquina 8.

El método se practica al calcular cuál será el voltaje en las terminales de la máquina mientras éste varía dependiendo de la carga de la máquina 8 u otra carga eléctrica. Se puede utilizar un modelo simplificado del circuito para calcular (estimar) el voltaje en el extremo de la máquina. Entonces se aplica una compensación a la salida del controlador de excitación para compensar cualquier desviación estimada de voltaje en las terminales de la máquina debido a la variación en la carga.

La Figura 1 muestra un modelo simplificado de flujo de carga para un controlador del motor conectado a través de linea larga que suministra energía de AC a una máquina o carga. La figura muestra, de izquierda a derecha, el voltaje en el convertidor Vconv, y las características de resistencia/inductancia del transformador elevador 5. La segunda parte del modelo de diagrama muestra características de capacitancia/resistencia/inductancia del cable largo 6. En el lado derecho del modelo se muestran las características de resistencia/inductancia del transformador reductor 7 y la posición del voltaje estimado Vm_est en el extremo de la máquina 8 del modelo. Las variables que se muestran son: Rtl = Resistencia del transformador elevador (por unidad) Ltl = Inductancia del transformador elevador (pu) Ccc = Reactancia del cable/2 (pu) Rcl = Reactancia del cable (pu) Lcl = Reactancia del cable (pu) Rt2 = Resistencia del transformador reductor (pu) Lt2 = Inductancia del transformador reductor (pu) El modelo simplificado de flujo de carga se calcula preferiblemente cada 1 ms y el voltaje calculado se utiliza entonces para crear realimentación real para compensación a manera de un controlador elevador de voltaje del controlador 4 del motor, también descrito como un controlador de excitación.

Las simulaciones, cálculos y pruebas llevadas a cabo con configuraciones de prueba de pequeña escala y escala completa e instalaciones en el sitio han mostrado resultados prometedores con respecto al desempeño del controlador elevador de voltaje y el estimador de voltaje. Las dimensiones que se utilizaron en los cálculos y las pruebas son para un convertidor de energía que se planea que suministre una carga a través de un cable submarino a una distancia de casi 50 km de la tierra. En un ejemplo, el suministro de energía se pretende para un compresor submarino para una instalación de petróleo y gas. En general dicha línea o cable largo puede suministrar equipos submarinos colocados en el fondo del mar a profundidades de hasta 3000 m. Las máquinas submarinas tales como una bomba de múltiples fases se requieren para funcionar continuamente por meses o años a la vez. Dichas bombas o compresores, típicamente maneja mezclas de sustancias de aceite de petróleo. La densidad de las mezclas de sustancias de petróleo y aceite . también puede cambiar de una forma impredecible, provocando cambios impredecibles en la carga de la bomba u otra máquina.

La solución descrita en este documento tiene la ventaja de que pueden haber la necesidad de realimentación de voltaje medido real en un sistema largo de salida con cables largos de salida. Esta solución puede también prevenir la necesidad de un reactor en el extremo submarino y en algunas aplicaciones con cables muy largos donde la estabilidad de voltaje debido al efecto Ferranti se puede considerar como un problema .

Las siguientes fórmulas se pueden aplicar en el controlador de excitación, el excitador de velocidad variable o convertidor 4: Los cálculos en coordenadas dq (eje d alineado con el vector de voltaje del convertidor) Id = componente de corriente en fase con el voltaje del convertidor (eje d) Iq = componente de corriente a noventa grados con el voltaje del convertidor (eje q) Cálculo de las coordenadas dq: Transformador elevador 5 Voltaje dq de salida del transformador elevador: Utld = Ucd - Icd*Rtl+Icq*w*Ltl Utlq = Ucq - Icq*Rtl-Icd*w*Lt1 Corriente dq de fuga de capacitancia del cable que fluye a través de Ccc en el cable en el lado del convertidor: I2d = -Utlq*w*Ccc I2q = Utld*w*Ccc Corriente dq que fluye a través de Lcl y Lcl en el modelo del cable: I3d = Icd-I2d I3q = Icq-I2q Transformador reductor 7 Voltaje dq del transformador reductor: Ut2d = Utld - I3d*Rcl+l3q*w*Lcl Ut2q = Utlq - I3q*Rcl-I3d*w*Lcl Corriente dq de fuga de capacitancia del cable que fluye a través de Ccc en el cable en el lado de carga eléctrica: I4d = -Ut2q*w*Ccc I4q = Ut2d*w*Ccc Corriente dq del motor o carga eléctrica: I5x = I3x - I4x I5y = I3y - I4y Voltaje y corriente en la máquina 8 Voltaje dq del motor o carga eléctrica: Umd = Ut2d - I5d*Rt2+I5q*w*Lt2 Umq = Ut2q - I5q*Rt2-I5d*w*Lt2 Vector de voltaje absoluto del motor o carga eléctrica: Um_abs = ( sqrt ( (UmxA2 ) + (UmyA2 ) ) ) *sqrt ( 3 ) Vector de corriente absoluta del motor o carga eléctrica : Im_abs = sqrt ( (?5??2) + (!5yA2) ) Donde : Ucd = (componente del eje d del voltaje del convertidor por unidad) Icd = (componente del eje d de la corriente del convertidor por unidad) Icq = (componente del eje q de la corriente del convertidor por unidad) W = (frecuencia eléctrica de salida real por unidad) La Figura 3 muestra un esquema simple de una instalación para una linea de energía entre un suministro de energía en tierra 20 y una máquina 8 muchos kilómetros dentro del mar 21. En este ejemplo, la máquina 8 o carga está instalada en el fondo del mar 22, pero la máquina o carga podría también o en cambio estar instalada bajo el agua de alguna otra forma, o instalada en una plataforma fija o flotante o barco de algún tipo. El transformador elevador 5 se indica como si estuviera en el mismo recinto que el excitador de velocidad variable 4, y el transformador reductor 7 se indica cómo estando dentro del mismo recinto bajo el agua que la máquina 8 o carga; sin embargo, cualquiera de los transformadores se puede acomodar como unidades independientes o dentro de otro recinto .

La Figura 4 es un diagrama de flujo para un método de acuerdo con una modalidad. El diagrama de flujo muestra un método en donde: 41. Se hace un estimado y/o medición del voltaje de salida Vconv en el controlador de excitación o convertidor . 43. Se hace un estimado del voltaje Vm_est en las terminales de la máquina 8 u otra carga eléctrica. 45. Los valores del voltaje de salida del convertidor en el convertidor Vconv y el voltaje estimado en las terminales del motor Vm_est se comparan y se encuentra cualquier diferencia . 47. La diferencia entre el voltaje de salida del convertidor en el convertidor Vconv y el voltaje estimado en las terminales del motor Vm_est se agrega a la salida de voltaje del convertidor, por ejemplo por medio de un controlador de adición de voltaje, para compensar la diferencia de voltaje estimada.

El ejemplo descrito se refiere al suministro de energía a través de una línea larga para una instalación en el mar. Sin embargo, la invención también se puede aplicar en tierra, por ejemplo con una tubería de petróleo o gas en una máquina o una carga eléctrica que se acomoda para ser energizada por un cable de AC lo suficientemente largo que puede ocurrir variación en la frecuencia/carga en las terminales de la máquina/carga. Por lo tanto, los motores compresores en tuberías se pueden beneficiar de practicar una modalidad de la invención.

Los datos derivados y medidos incluyendo las características eléctricas tales como resistencia, inductancia, capacitancia de ciertos componentes, y particularmente para los transformadores 5, 7 y el cable 6, se pueden almacenar en una base de datos o lista. La base de datos se puede almacenar en una unidad de almacenamiento de memoria no volátil de una unidad de control dispuesta en o con el controlador de excitación. La base de datos se puede disponer como firmware.

En otra modalidad preferida de la invención, la solución involucra estimar (calcular) tanto el voltaje como la corriente en las terminales de la máquina (extremo de carga eléctrica) al utilizar voltaje y corriente de salida internos del convertidor, calculados y medidos. La corriente calculada se utiliza como realimentación para la función de límite de corriente en el convertidor 4 para prevenir la sobrecarga térmica de la máquina 8. Esto es conveniente ya que en una aplicación muy larga de salida, el valor medio acuático (rms, root mean square) de corriente de salida del convertidor puede variar una cantidad pequeña durante una variación de sin carga a carga completa, y de esta manera un límite de corriente normal de la corriente del convertidor no proporcionaría la protección térmica de la máquina de la sobrecarga de corriente. La corriente de salida en un convertidor de operación de salida muy larga, la salida puede diferir de la corriente suministrada en el extremo de la carga. En esta modalidad, la corriente del motor calculada se utilizó como entrada para un limitador de corriente en el controlador de motor (controlador de excitación) en las pruebas y simulaciones. En una modalidad preferida, el convertidor/inversor puede ser del tipo ACS 5000 suministrado por ABB.

Los métodos para estimar el voltaje (y/o un voltaje y una corriente) en las terminales de la máquina como se describió anteriormente y en alguna otra parte en esta especificación se pueden llevar a cabo mediante una aplicación de computadora que comprende elementos de programa de computadora o código de software que, cuando se cargan en un procesador o computadora, se provoca que la computadora o procesador lleve a cabo los pasos del método. Las funciones del circuito estimador se pueden llevar a cabo mediante funciones digitales de procesamiento, algoritmos y/o programas de computadora y/o por componentes análogos o circuitos análogos o por una combinación de funciones tanto digitales como análogas. Un circuito estimulador puede comprendido como un hardware o hardware configurable tal como un antenaje de puerta de campo programable (FPGA, Field-Programmable Gate Array) u otro tipo de procesadores tales como un dispositivo lógico programable complejo (CPLD, Complex Programmable Logic Device) o un tipo de circuito integrado de aplicación especifica (ASIC, Application Specific Integrated Circuit).

Los métodos de la invención tales como aquellos pasos del método que se muestran en la Figura 4 se pueden llevar a cabo, como se describió anteriormente, por medio de uno o más programas de computadora que comprenden código de programa de computadora o porciones de software que se ejecutan en una computadora o en un procesador. Un procesador tal puede estar dispuesto con una unidad de almacenamiento de memoria de una unidad de control de sistema de procesos o una unidad de control de motor, o un controlador de adición de voltaje u otra parte del sistema de control de motor del mismo. Una parte del programa o software que lleva a cabo los métodos puede estar almacenada en un procesador como se mencionó anteriormente, pero también en un chip de ROM, RAM, PROM, EPROM o EEPROM o medio de memoria similar. El programa en parte o en su totalidad también puede estar almacenado en otro medio legible por computadora adecuado tal como un disco magnético, medios de almacenamiento de memoria magneto-óptico, en memoria volátil, en memoria flash, como firmware, almacenado en un servidor de datos o en uno o más arreglos de servidores de datos o incluso en medios de memoria removible tales como memorias flash, discos duros, etc. se puede tener acceso a los datos por medio de cualquiera de los puntos OPC, servidores OPC, o un agente de solicitud de objetos (ORB, Object Request Broker) tal como COM, DCOM o COBRA, un servicio web.

Los detalles proporcionados en esta especificación, se basan por ejemplo en un controlador de excitación y en particular un convertidor de energía, pero la invención no está limitada a este tipo de dispositivo controlado de suministro de energía y se puede practicar utilizando otras tecnologías tales como modulación de ancho de pulso (PWM, Pulse Width Modulation) , modulación de amplitud de pulso (PAM, Pulse Amplitude Modulation) o convertidor controlado por tiristor utilizando un tipo de control de cascada.

Se debe observar que mientras lo anterior describe modalidades que ejemplifican la invención, hay muchas variaciones y modificaciones para controlar una máquina o una carga eléctrica suministrada con energía de AC a través de una línea larga que se pueden hacer para la solución que se divulga sin apartarse del alcance de la presente invención como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (17)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito la presente invención como antecede, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes: REIVINDICACIONES

1. Un método para controlar una máquina (8) o una carga eléctrica suministrada por un controlador de excitación (4) a través de un cable largo de energía de AC (6), en cuyo método dicho controlador de excitación se opera para proporcionar corriente de AC a dicha carga o máquina a una relación sustancialmente constante de voltaje y frecuencia al obtener un estimado o medición de una salida de corriente y voltaje (Vconv) en dicho controlador de excitación (4), caracterizado porque al calcular un voltaje estimado (Vm est) en las terminales de dicha máquina (8) o carga eléctrica utilizando un modelo simplificado de flujo de carga del controlador de excitación (4), un transformador elevador (5), el cable largo de energía de AC (6), un transformador reductor (7) y la máquina (8), el voltaje estimado se determina utilizando coordenadas dq como un vector de voltaje absoluto del motor o carga eléctrica: Um_abs = ( sqrt ( (?????2 ) + (?p ?2 ) ) ) *sqrt ( 3 ) donde el voltaje dq del motor o carga eléctrica está definido por: Umd = Ut2d - I5d*Rt2+I5q*w*Lt2 Umq = Ut2q - I5q*Rt2-I5d*w*Lt2 , donde : Ut2d = Utld - l3d*Rcl+l3q*w*Lcl Ut2q = Utlq - l3q*Rcl-I3d*w*Lcl son los voltajes dq del transformador reductor (7), I5x = I3x - I4x I5y = I3y - I4y son las corrientes dq del motor o carga eléctrica, Rt2 es la resistencia del transformador reductor (7), Lt2 es la inductancia del transformador reductor (7), w es la frecuencia eléctrica de salida real por unidad, Rcl es la inductancia del cable largo de energía de AC (6), Lcl es la inductancia del cable largo de energía de AC (6), Utld = Ucd - Icd*Rtl+Icq*w*Ltl Utlq = Ucq - Icq*Rtl-Icd*w*Ltl son los voltajes dq de salida del transformador elevador (5), I2d = -Utlq*w*Ccc I2q = Utld*w*Ccc son las corrientes dq de fuga de capacitancia del cable que fluyen a través de Ccc, la reactancia del cable del cable largo de energía de AC, en el lado convertidor, I3d = Icd-I2d I3q = Icq-I2q son las corrientes dq que fluyen a través de la inductancia del cable Lcl, I4d = -Ut2q*w*Ccc I4q = Ut2d*w*Ccc son las corrientes dq de fuga de capacitancia del cable que fluyen a través de la reactancia del cable Ccc en el lado de carga eléctrica, y Ucd es la componente del eje d del voltaje del convertidor por unidad, Icd es la componente del eje d de la corriente del convertidor por unidad, e Icq es la componente del eje q de la corriente del convertidor por unidad; y agregar una diferencia entre el estimado y la salida para controlar el controlador de excitación para proporcionar dicha relación constante de voltaje y frecuencia en las terminales de dicha carga o máquina con base en el voltaje estimado (Vm_est) en las terminales.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque calcular la salida estimada de corriente y voltaje en dicho controlador (4) se basa en un voltaje interno del convertidor con referencia al modulador como referencia para transformación de dq.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque proporciona la diferencia entre el estimado de voltaje (Vm_est) y la salida de voltaje (Vconv) a un controlador de adición de voltaje dispuesto para controlar el controlador de excitación (4) y compensa la diferencia proporcionando de esta manera dicha relación constante de voltaje y frecuencia en las terminales de dicha máquina (8) o carga eléctrica.

4. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque calcula un voltaje estimado (Vm_est) y corriente estimada en las terminales en dicha máquina (8) o carga eléctrica y proporciona uno o más estimados de corriente en las terminales de la máquina para monitorear o controlar el proceso del controlador de excitación (4).

5. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 4, caracterizado porque calcula uno o más estimados de corriente en las terminales de la máquina y compara los valores de corriente estimados con limites predeterminados de corriente con el propósito de proporcionar protección térmica de la máquina (8) o carga eléctrica.

6. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 4, caracterizado porque calcula uno o más estimados de corriente en las terminales de la máquina y compara los valores de corriente estimados con limites predeterminados de corriente y proporciona datos dependientes de la comparación con un proceso de control de dicho controlador de excitación para el propósito de proporcionar protección térmica de la máquina (8) o carga eléctrica.

7. Un controlador de excitación (4) dispuesto para proporcionar energía eléctrica desde un suministro de energía (10) a una máquina (8) o una carga eléctrica, cuya energía se suministra por dicho controlador de excitación a través de un cable largo de energía de AC en donde la corriente de AC se proporciona a una relación sustancialmente constante de voltaje y frecuencia a dicha máquina (8) o carga eléctrica, dicho controlador de excitación (4) está dispuesto con un circuito estimador para estimar y/o medir una salida de corriente y voltaje (Vconv) en dicho controlador de excitación, caracterizado porque dicho controlador de excitación (4) comprende un circuito de cálculo para calcular un valor estimado de voltaje en las terminales de dicha máquina (8) o carga eléctrica utilizando un modelo simplificado de flujo de carga del controlador de excitación (4), un transformador elevador (5), el cable largo de energía de AC (6), un transformador reductor (7) y la máquina (8), el voltaje estimado se determina utilizando coordenadas dq como un vector de voltaje absoluto del motor o carga eléctrica: Um_abs = ( sqrt ( (UmxA2 ) + (UmyA2 ) ) ) *sqrt ( 3 ) donde el voltaje dq del motor o carga eléctrica está definido por: Umd = Ut2d - I 5d*Rt2+I 5q*w*Lt2 Umq = Ut2q - I5q*Rt2-l5d*w*Lt2 , donde : Ut2d = Utld - I3d*Rcl+l3q*w*Lcl Ut2q = Utlq - I 3q*Rcl-I 3d*w*Lcl son los voltajes dq del transformador reductor (7), I5x = I3x - I4x I5y = I3y - I4y son las corrientes dq del motor o carga eléctrica, Rt2 es la resistencia del transformador reductor (7) , Lt2 es la inductancia del transformador reductor (7), w es la frecuencia eléctrica de salida real por unidad, Rcl es la inductancia del cable largo de energía de AC (6), Lcl es la inductancia del cable largo de energía de AC (6), Utld = Ucd - Icd*Rtl+Icq*w*Ltl Utlq = Ucq - Icq*Rtl-Icd*w*Ltl son los voltajes dq de salida del transformador elevador (5), I2d = -Utlq*w*Ccc I2q = Utld*w*Ccc son las corrientes dq de fuga de capacitancia del cable que fluyen a través de Ccc, la reactancia del cable del cable largo de energía de AC, en el lado convertidor, I3d = Icd-I2d I3q = Icq-I2q son las corrientes dq que fluyen a través de la inductancia del cable Lcl, I4d = -Ut2q*w*Ccc I4q = Ut2d*w*Ccc son las corrientes dq de fuga de capacitancia del cable que fluyen a través de la reactancia del cable Ccc en el lado de carga eléctrica, y Ucd es la componente del eje d del voltaje del convertidor por unidad, Icd es la componente del eje d de la corriente del convertidor por unidad, e Icq es la componente del eje q de la corriente del convertidor por unidad; y un circuito de comparación para comparar la salida de voltaje (Vconv) con el voltaje estimado (Vm_est) en las terminales de la máquina para identificar cualquier diferencia, en donde dicho controlador de excitación (4) está además adaptado para llevar a cabo una compensación por la diferencia y controlar la salida del controlador para proporcionar dicha relación constante de voltaje y frecuencia en las terminales de dicha máquina (8) o carga eléctrica con base en el voltaje estimado (Vm_est) en las terminales.

8. Un controlador de excitación de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque dicho circuito estimulador para calcular una salida estimada de corriente y voltaje en dicho controlador (4) utiliza un voltaje interno del convertidor con referencia al modulador como referencia para transformación de dq.

9. Un controlador de excitación de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque un controlador de adición de voltaje provisto con la diferencia entre el voltaje de salida (Vconv) en dicho controlador de excitación (4) y el voltaje estimado (Vm_est) en las terminales están dispuestos para controlar el controlador de con base en la diferencia entre proporcionar asi dicha relación constante de voltaje y frecuencia en las terminales de dicha máquina (8) o carga eléctrica.

10. Un controlador de excitación de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque dicho circuito estimador o proceso para calcular un voltaje estimado (Vm_est) y corriente en las terminales de dicha máquina (8) o carga eléctrica está dispuesto para proporcionar uno o más estimados de corriente en las terminales de la máquina a un control o proceso de monitoreo de dicho controlador de excitación ( 4 ) .

11. Un controlador de excitación de acuerdo con la reivindicación 7 ó 9, caracterizado porque un circuito estimador o proceso para calcular uno o más estimados de corriente en las terminales de la máquina y proporcionar los estimados a un proceso en dicho controlador de excitación (4) para comparar uno o más valores de corriente con límites predeterminados de corriente con el propósito de proporcionar protección térmica de la máquina (8) o carga eléctrica.

12. Un controlador de excitación de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque un circuito estimador que comprende software o código de programa de computadora para llevar a cabo la función de estimar la corriente y voltaje en las terminales de la máquina (8) o carga eléctrica suministrada por dicho controlador de excitación.

13. Un controlador de excitación de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque un dispositivo de almacenamiento de memoria no volátil en el que se almacenan los datos derivados y medidos incluye las características eléctricas de cualquier componente conectado al controlador de excitación (4) incluyendo datos de cualquiera de los transformadores (5, 7) y/o el cable (6).

14. Un controlador de excitación de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque un dispositivo de almacenamiento de memoria comprende porciones de código de software o código de computadora para hacer que una computadora con procesador lleve a cabo el método de acuerdo con la reivindicación 1.

15. Un programa de computadora para controlar una máquina (8) o carga suministrada con energía mediante un controlador de excitación (4) a través de un cable largo de energía de AC (6), dicho programa comprende porciones de código de software o código de computadora para provocar que una computadora con procesador lleve a cabo los pasos de un método de acuerdo con la reivindicación 1.

16. Un producto de programa de computadora grabado en un medio legible por computadora, que comprende código del programa de computadora o porciones de código de software que cuando se lee en computadora con procesador provocará que la computadora con procesador lleve a cabo los pasos de un método de acuerdo con la reivindicación 1.

17. El uso de un controlador de excitación (4) de acuerdo con la reivindicación 10, dispuesto para proporcionar energía eléctrica desde un suministro de energía (10) a una máquina (8) o una carga eléctrica, cuya energía es suministrada por dicho controlador de excitación a través de un cable largo de energía de AC (6) , y en donde dicho controlador de excitación se opera para proporcionar corriente de AC a una relación constante de voltaje y frecuencia a dicha máquina (8) o carga para controlar y suministrar una máquina (8) o una carga eléctrica en una instalación para producción, transmisión, distribución o procesamiento de petróleo y/o gas.