Uso de accionamientos multifásicos como sistema de propulsión del ascensor

Explorar por separado el uso de un motor inductivo de seis fases y un convertidor matricial de seis fases en un esfuerzo por aumentar la confiabilidad y la eficiencia de los accionamientos de los ascensores.

por Davoud Karbalaei, Amir Bahram Daraei y Hossein Bakhtiari

Este artículo investiga el rendimiento de los motores multifásicos para su uso como accionamientos para ascensores de tracción y muestra sus ventajas en comparación con los motores trifásicos. Se pueden usar varios convertidores para controlar motores, y el que se usa aquí se llama "convertidor de matriz". Este convertidor tiene muchas ventajas, debido a la eliminación de los condensadores del bus de CC, una de las cuales es la disminución de las dimensiones del variador de control. Por lo tanto, el uso de un convertidor matricial permite la integración de motor / variador, lo que reducirá el tamaño del sistema de control, especialmente para proyectos sin una sala de motores.

Introducción

En aplicaciones industriales, y en el procedimiento de configuración directa en línea (DOL) del motor sin variador, el trifásico es bastante lógico, porque la red eléctrica se basa en él, y el uso de motores con más de tres fases generalmente lo hace. no tiene sentido. Además, debido a las ventajas de los motores trifásicos en comparación con los motores monofásicos, la potencia de salida aumenta drásticamente solo al aumentar la fase (dos cables monofásicos en un sistema monofásico y tres cables en un sistema trifásico) . En otras palabras, con un aumento del 50% en el cobre, la potencia de salida aumentará en un 200%. El control simple del motor es posible cuando el control del motor (MC) se realiza utilizando el variador con el número deseado de fases de salida. Por lo tanto, en esta situación, se puede investigar el uso de motores / variadores con más de tres fases. Este artículo aborda este problema, considerando los requisitos estándar para el uso de accionamientos en ascensores de tracción.

Por otro lado, un convertidor matricial se considera uno de los tipos más nuevos de convertidores, considerando las ventajas que tiene para su uso en el control de motores de ascensores. Sus menores dimensiones, factor de potencia y posibilidad de devolver la energía a la red (en lugar de su pérdida en la resistencia de frenado) son las razones más importantes del atractivo de este tipo de convertidores. A continuación, se analizarán por separado un motor inductivo de seis fases y un convertidor matricial de seis fases. Finalmente, se describirán las ventajas y desventajas de usar estos dos en un paquete integrado.

Motor de inducción de seis fases

Las máquinas de inducción se han utilizado durante más de 100 años debido a sus ventajas como simplicidad estructural, alta potencia, buena confiabilidad, bajo costo, volumen y peso razonables y buena eficiencia. Ahora, más del 90% de las actividades industriales rotativas se realizan mediante motores de inducción trifásicos.^{[ 1 ]}

Motores multifásicos con número de fase n (n> 3) conforman una nueva generación de motores que se utilizan a menudo en la actualidad en aplicaciones de alta potencia con alta confiabilidad. El motor de seis fases tiene seis bobinas separadas, que pueden equipararse a dos series de bobinas trifásicas. La figura 1 muestra un esquema de este tipo de motor, en el que dos series de alambres de bobinado con un ángulo de 30 ° (cada uno de los cuales tiene 3 fases), los ángulos entre las fases de cada grupo es de 120 °.

En este esquema, todas las bobinas son comunes en un punto, al igual que el diseño de la conexión de la estrella. Para analizar y controlar este motor, es necesario analizar su circuito eléctrico. Para controlar el vector de este tipo de motor, las ecuaciones se escriben y analizan en dos ejes verticales, qyd.^{[ 3 ]} El circuito equivalente de las fases del motor en los dos ejes se muestra en la Figura 2. Dado que seis corrientes independientes fluyen a través de seis fases de un motor de inducción, la máquina de seis fases es esencialmente un sistema de seis dimensiones. Las variables de flujo a lo largo del tiempo se pueden representar mediante un vector en un espacio de seis dimensiones (Figura 2).

Las corrientes del estator con un vector de seis dimensiones son:

Este vector tiene seis vectores base:

Según estas definiciones, se define un espacio de seis dimensiones dq-z1-z2-o1-o2,^{[ 4 ]} y la ecuación de voltaje del estator es:

Las ecuaciones de voltaje del rotor son:

En la transformación del vector de las tensiones de salida del inversor en el marco de referencia dq-z1-z2-o1-o2, con la conexión de los devanados del estator a la salida del inversor y sin conectar los puntos neutros, solo las tensiones de línea de la máquina se conoce directamente. En otras palabras, la matriz de conversión (Ecuación 5) convierte las variables de fase de la máquina al nuevo marco de referencia dq-z1-z2-o1-o2. Por lo tanto, la conversión de voltaje de línea a voltaje de fase es esencial.

Si los puntos neutros de dos conjuntos de cables de bobinado de las tres fases del motor están conectados entre sí, después de convertir la línea en voltajes de fase, la conversión de los voltajes de línea a los voltajes de fase se obtiene mediante la inversa de la matriz de transformación:^{[ 4 ]}

Las anteriores son relaciones fundamentales en el análisis del motor de seis fases y se pueden utilizar para analizar el estado estable del motor. Las ventajas más importantes de un motor de seis fases sobre un motor de tres fases son:^{[5 9-]}

• Mejora de la fiabilidad Armónicos de bus de CC reducidos
• Reducir la corriente armónica del rotor y las pérdidas de potencia
• Reducir las fluctuaciones de par
• Mejor distribución de energía en las fases del motor
• Mejorando el perfil de potencia
• Aumento de la eficiencia

Matrix Converter

Los inversores eléctricos de dos etapas se utilizan generalmente para controlar el motor del ascensor. Como se muestra en la Figura 3, la estructura de estos convertidores consta de tres partes: rectificadores, bus de CC e inversores. La parte del rectificador consta de solo seis diodos y actúa como un rectificador no controlado. Por lo tanto, no hay control sobre la cantidad de energía que ingresa al variador. La sección del bus de CC contiene dos o más condensadores. La vida útil de los condensadores y sus dimensiones relativamente grandes crea algunas limitaciones. Además, la inyección de energía adicional en la resistencia de frenado se realiza mediante los elementos relevantes, a menudo transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). La sección del inversor se encarga de generar distintas ondas de tensión a distintas frecuencias, según el estado del motor y su estado óptimo.

Un convertidor matricial es un convertidor de potencia con conmutación obligatoria. Este convertidor, que en realidad es una matriz de conmutadores bidireccionales, establece una relación directa entre entrada y salida. El convertidor matricial necesita menos espacio debido a la relación directa que establece entre las entradas y las salidas y no necesita elementos voluminosos de almacenamiento de energía como los condensadores de bus de CC en comparación con otros convertidores de potencia convencionales. Además, la ausencia de un condensador en la estructura del convertidor aumenta su fiabilidad. El convertidor matricial es otro tipo de convertidor que no tiene un bus de CC y condensadores, y se combinan dos secciones de rectificador e inversor. ^{[ 10 ]}

Gyugyi-Pelly presentó por primera vez la estructura principal del convertidor de matriz en 1976.^{[ 11 ]} Sin embargo, el desarrollo real del convertidor matricial con el trabajo de Venturini y Alesina comenzó en 1980.^{[ 12 ]}. Introdujeron el circuito convertidor como una matriz de interruptores de potencia bidireccionales e introdujeron el nombre. Uno de sus objetivos más importantes fue el desarrollo de un análisis matemático sólido para describir el comportamiento de baja frecuencia del transductor, denominado "Matriz de modulación de baja frecuencia". En esta modulación, también conocida como “Función de transferencia directa”, el voltaje de salida se obtiene multiplicando la matriz de modulación en el voltaje de entrada.

Rodríguez introdujo en 1983 un método de control diferente basado en la teoría del "enlace de CC ficticio" [13]. De esta manera, los interruptores se colocan de manera que cada línea entre las entradas positivas y negativas sea conmutada por la solución de modulación de ancho de pulso (PWM), y la fuente de voltaje estándar se use en el inversor. Esto también se conoce como la "función de transmisión indirecta". En 1985 y 1986, Ziogas publicó dos artículos que describían el término "enlace de CC ficticio" y proporcionaban una sólida expansión matemática.^{[ 13 ]} En 1983, Brown y, en 1989, Costner y Rodríguez introdujeron el uso del espacio vectorial en el análisis y control del convertidor de matrices. También en 1989, Haber presentó su primer artículo sobre “Sistemas de gestión de espacios verdes (SPVM)” sobre la modulación del convertidor matricial.^{[ 14 ]}

Los métodos de modulación basados ​​en la teoría de Ventorini se conocen como métodos directos, mientras que los métodos basados ​​en el "enlace de CC ficticio" se conocen como métodos indirectos. Kastner y Rodríguez, en 1985, así como Schauder y Neft, en 1992, llevaron a cabo experimentos prácticos que demostraron que un solo convertidor matricial de nueve teclas

podría usarse de manera eficiente para controlar el vector de un motor de inducción trifásico con flujo de entrada y salida de alta calidad. [15]

Es importante tener en cuenta que, en este caso, la unidad rectificadora está completamente controlada y es posible devolver energía a la red mediante el uso de teclas de dos vías. La combinación de las dos partes de la rectificación y el inversor, y controlarlo, hace que el factor de potencia sea uno. La figura 4 muestra un esquema simplificado de un convertidor matricial trifásico, que consta de nueve conmutadores bidireccionales. El convertidor matricial se conecta a los terminales a, byc a través de la red eléctrica trifásica y se conecta al motor a través de los terminales A, B y C después de realizar las transformaciones necesarias. Cada fase de entrada se puede conectar en cualquier momento a cada una de las fases mediante los interruptores (Figura 4).

Para analizar este tipo de convertidores, es mejor simular con convertidores convencionales y luego analizarlos. El modelo equivalente se muestra en la Figura 5. La función de un convertidor matricial de seis fases en este documento es la transformación del voltaje trifásico para alimentar un motor de seis fases. Eso significa convertir una entrada trifásica en una salida de seis fases. Entonces, en este caso, en lugar de nueve interruptores bidireccionales, se necesitan 18 de estos interruptores. La Figura 6 muestra un diseño simple de dicho modelo. Como se muestra, cada uno de los interruptores será responsable de conectar cada una de las tres fases de entrada a cada una de las seis fases de salida. Los propios interruptores bidireccionales pueden tener diferentes estructuras. Dos de las estructuras de estas teclas se muestran en la Figura 6.

En un convertidor de matriz de seis fases, un total de 18 teclas de convertidor de matriz producen 729 modos de conmutación diferentes, de los cuales 64 están permitidos. Los voltajes del convertidor matricial están de acuerdo con sus 64 modos de conmutación. Las figuras 7-9 muestran los vectores transmitidos a tres pantallas dq, O1-O2, Z1-Z2. [16] Cabe señalar que los vectores colocados en la placa O1-O2 se colocan en línea recta. Entonces, de hecho, el sistema se reducirá a un sistema de cinco dimensiones. Cuando el número se convierte en un número binario de seis dígitos, los números de cada vector determinan el estado de conmutación.

Un modelo desarrollado para una máquina de seis fases establece que solo las tensiones y corrientes dq están relacionadas con la conversión de energía electromecánica. Por lo tanto, el propósito de controlar el método del vector espacial PWM (SVPWM) es extraer el vector de voltajes dq para que se suministre el par. La media de voltaje-tiempo en las placas Z1-Z2 y O1-O2 también debe ser cero durante el período de muestreo. La estrategia de vector PWM se realiza con relación a:

dónde son los kla imagen del vector de voltaje en el eje x, y T_k es el momento de aplicar ese vector a lo largo del tiempo T_s. Valores y los voltajes de referencia se encuentran en la página dq. Durante cada período de muestreo T_s, se debe seleccionar un conjunto de cinco vectores de voltaje de tal manera que cada T_k tiene un valor positivo y único. Hay varias formas de seleccionar un conjunto de este tipo. La ecuación 7 se utiliza para analizar y aplicar el método SVPWM a un convertidor matricial de seis fases.

Según estudios,^{[11] y 13-15]} Las ventajas más importantes de un convertidor matricial sobre los convertidores comunes de dos etapas son:

• Entradas y salidas de onda sinusoidal
• Sin necesidad de elementos reactivos voluminosos
• La posibilidad de un coeficiente de desplazamiento unitario para cada tipo de carga.
• Rendimiento para cuatro áreas
• Diseño simple y compacto
• La capacidad de regenerar energía.
• Respuesta rápida
• Mayor controlabilidad
• Independencia del número de fases, forma de onda y frecuencia tanto en entrada como en salida
• Quitar el condensador y, por lo tanto, la capacidad de operar a temperaturas más altas.
• Sin necesidad de mantenimiento ni reparación

Sistema de control de seis fases

Combinando un convertidor matricial trifásico con seis fases y usando un motor de seis fases, se logran todos los beneficios de usar cada uno. Teniendo en cuenta que se requiere el uso de un accionamiento de control de velocidad en los sistemas de control de ascensores, no existe, por lo tanto, ninguna limitación específica a este respecto. Una de las características más valiosas de este proyecto es aumentar la confiabilidad y el control del sistema de propulsión.

En los sistemas trifásicos convencionales, si un IGBT o una fase del motor se quema o se desconecta, es imposible controlar el motor. Si los sistemas de seis fases cortan una de las fases, el sistema aún puede operar en cinco fases (con par reducido, por supuesto). Dado que un ascensor suele funcionar por debajo de la capacidad nominal, es posible utilizar el sistema. En el caso de un error y con una falla o detección de falla, el algoritmo de control puede controlar el motor con un algoritmo modificado de cinco fases. Cabe señalar que existen varios algoritmos y métodos para controlar tal sistema y con la ocurrencia de un error dado. En uno de estos diseños, al agregar un interruptor bidireccional al convertidor, se puede aumentar el par de salida. El sistema puede sufrir pequeñas fluctuaciones de torque, pero aún puede funcionar de manera confiable. [16-20]

Por otro lado, sabiendo que el motor actúa como generador, su energía se transmite al variador en aproximadamente la mitad de los movimientos. La energía devuelta al variador se muestra como un aumento en el nivel de voltaje del bus de CC y, si el nivel de este voltaje excede un cierto límite, causará daños al variador. Para evitar esto, los variadores deben estar equipados con un circuito chopper y una resistencia de freno para transferir y disipar el exceso de energía. Pero, utilizando los convertidores con piezas rectificadoras controlables, la energía del motor se puede devolver a la red eléctrica. El convertidor matricial también lo permite, debido a su estructura y conexión directa entre las fases de entrada y salida, y el uso de teclas de dos vías. Esto es especialmente cierto para los ascensores de alta velocidad y de gran altura.

La eliminación de los condensadores del bus de CC se puede examinar en dos aspectos: aumentar la vida útil del variador y reducir sus dimensiones. La reducción de dimensiones, especialmente en ascensores sin sala de máquinas, es un factor decisivo. Por otro lado, con un número creciente de fases del motor, el caudal de corriente de cada fase en un motor de seis fases se reduce al de un motor trifásico con la misma potencia. Reducir el flujo del motor de esta manera reduce la potencia y, por lo tanto, las dimensiones de los interruptores y contactores, y la sección transversal de los cables y terminales. Además, un motor de seis fases tiene dimensiones más pequeñas que un motor de tres fases con idéntica potencia. Al igual que con el aumento en el número de fases del motor, ambos motores tienen fluctuaciones de par más pequeñas que un motor monofásico.

La reducción de las fluctuaciones de par y, en consecuencia, la mejora de la calidad de la curva de elevación puede justificarse económicamente para los consumidores sobre la base de la calidad de conducción. Otra ventaja de este sistema es el aumento del factor de potencia de todo el sistema de accionamiento en comparación con un accionamiento convencional. Al realizar cálculos precisos y algoritmos de control avanzados, se puede obtener un factor de potencia unitario. Además, la reducción de la amplitud del flujo en los devanados del motor y la ruta de transmisión al motor reduce la amplitud de los armónicos producidos y tiene menos efectos dañinos en los cables portadores de señales débiles.

A pesar de todas las ventajas mencionadas, existen limitaciones en el uso de este diseño. La primera limitación es el costo de este sistema de control. Dado que los módulos IGBT para unidades producidas en serie son producidos por varios fabricantes, el costo de las unidades utilizadas por estos IGBT es bajo. Si bien son relativamente nuevos, los convertidores matriciales tienen una falta generalizada de fabricantes, lo que los hace tener un precio más alto que los IGBT convencionales. Además, se han introducido pocos fabricantes para motores de seis fases, y los diseños de estos motores están hechos a medida, lo que también aumenta su costo. Debido a la doble cara del convertidor matricial, las teclas y la inyección de energía a la red eléctrica, el uso de filtros en la entrada del variador es obligatorio.

Diseño propuesto

De acuerdo con los materiales indicados y la creciente necesidad de mayor calidad, reducción de fallas, disminución de dimensiones y mayor confiabilidad de los sistemas de control, este artículo propone un diseño que se espera sea bienvenido por los fabricantes y diseñadores de sistemas de control y motores eléctricos. El plan incluye un sistema de accionamiento / motor integrado. El sistema de control del motor / variador se puede colocar en el cuerpo del motor debido a la eliminación del condensador del sistema convertidor electrónico y la reducción del área de la sección transversal, el flujo de los cables del motor y las dimensiones del motor eléctrico. Esto reducirá las rutas de potencia y señal (como para un codificador) y creará menos perturbaciones electromagnéticas en el entorno circundante. También reduce la eficacia de los cables portadores de señales del ruido y las perturbaciones en el entorno circundante.

Las conexiones desde el sistema de control del ascensor al conjunto de motor / variador integrado incluyen tres variadores de motor de fuente de alimentación y una señal de control de comunicación, como el protocolo CANopen. Se pueden intercambiar muchos comandos y retroalimentaciones en el contexto de esta comunicación en serie y ciertamente no requerirán un cableado significativo. Existe la necesidad de un cableado separado para controlar el freno mecánico del motor y otros elementos importantes, pero, en general, el cableado desde el panel de control y el controlador del ascensor hasta el conjunto de motor / accionamiento se reduce considerablemente (Figura 10). Además, el aumento de la aplicación de la función de desconexión segura de par (STO) conduce a la eliminación de los contactores del motor y reduce el cableado y el costo del producto. También reduce las dimensiones del conjunto de motor / accionamiento. Todo esto conduce a una reducción significativa en el sistema de control de ascensores y abre el camino para proyectos que enfrentan limitaciones de espacio, especialmente aquellos sin una sala de máquinas.

Conclusión

El uso de sistemas de control de seis fases tiene muchas ventajas sobre el de los sistemas trifásicos convencionales, y durante varios años se han realizado investigaciones en relación con el rendimiento y la fiabilidad de dichos sistemas. El sistema de control de seis fases también utiliza un convertidor matricial más nuevo. Al instalar un sistema MC que se puede utilizar para eliminar los condensadores de accionamiento y reducir la potencia de sus componentes clave, además de prestar atención a tecnologías como la función STO y protocolos de comunicación fiables como CANopen Lift, los diseñadores disponen de características únicas para el ascensor. sistemas.

Reducción de las dimensiones del variador y del motor debido a la reducción de la corriente nominal y la sección transversal de sus bobinas, reducción de las dimensiones del variador, eliminación de la resistencia de frenado (que ahorra consumo de energía y crea efectos ambientales favorables), menor potencia y cableado de señales y, lo más importante, una mayor fiabilidad del sistema de control (que, incluso cortando una de las fases del motor, puede funcionar correctamente), son las principales características del diseño propuesto. Además, el aumento de la calidad de la curva de elevación se debe a la reducción de las fluctuaciones de par debido al aumento en el número de fases del motor, así como a la reducción de armónicos perturbadores. Aumentar el factor de potencia y reducir el consumo de energía, en general, se encuentran entre las otras fortalezas del proyecto. Sin embargo, restricciones como el aumento de precios debido a la limitación de equipos y un pequeño número de empresas que pueden implementar dicho plan resultarán en un costo más alto que los planes habituales al inicio de la obra. Esta propuesta se aplica a reductores y compresores.

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