ES2690409B2 - Dispositivo y procedimiento de determinacion del par, la velocidad y las perdidas energeticas de motores electricos asincronos trifasicos - Google Patents

Dispositivo y procedimiento de determinacion del par, la velocidad y las perdidas energeticas de motores electricos asincronos trifasicos Download PDF

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Description

DISPOSITIVO Y PROCEDIMIENTO DE DETERMINACION DEL PAR, LA VELOCIDAD Y LAS PERDIDAS ENERGETICAS DE MOTORES ELECTRICOS
AS^NCRONOS TRIFASICOS
Campo de la invencion
La presente invencion se refiere de manera general al campo de los motores electricos asincronos trifasicos, y mas concretamente a la determinacion de caracteristicas de funcionamiento de dichos motores (par, velocidad y perdidas energeticas) a partir simplemente de una medida directa de las corrientes del estator con el motor en funcionamiento.
Antecedentes de la invencion
Tal como se conoce en la tecnica, el funcionamiento de los motores asincronos (de induccion) se define por los valores del par y de la velocidad en su eje. Ademas, las perdidas energeticas del motor pueden informar sobre las causas de posibles fallos de motor.
Hoy en dia, estan disponibles en el mercado muchos instrumentos de medida del par mecanico y de la velocidad, pero son dispositivos generalmente costosos y, en algunas ocasiones, no se pueden conectar al motor debido a varias razones (por ejemplo, porque los instrumentos perturban el proceso productivo, existen limitaciones de espacio, el motor no esta preparado para incorporar los instrumentos, ...). Las perdidas energeticas podrian estimarse midiendo la temperatura del motor, pero este procedimiento no distingue en cuanto a las causas de perdida de energia.
El par mecanico y las perdidas por Joule en los motores asincronos dependen de las corrientes del rotor. Por tanto, en casos en los que, por ejemplo, no puede asumirse el coste de los instrumentos de medida del par y la velocidad o cuando no se pueden instalar dichos instrumentos de medida en el motor, un procedimiento alternativo para determinar el par motor, la velocidad y las perdidas por Joule en motores asincronicos trifasicos podria consistir en la medicion de las corrientes del rotor.
Las corrientes del estator pueden medirse facilmente en motores electricos, pero las corrientes del rotor son dificiles de medir directamente ya que los devanados del rotor no estan disponibles en el 90% de los motores de induccion (rotor en cortocircuito de motores) y, por lo tanto, la medida de las corrientes de rotor requiere tecnicas invasivas en los motores.
En la publicacion "Induction Motors Loss of Life due to Voltage Imbalance and Harmonics: A Preliminary Study", presentado por J. Policarpo y A.E. Emmanuel en la 2000 Ninth International Conference on Harmonics and Quality of Power, los autores descomponen las perdidas energeticas a partir de modelos de otros autores (P.G. Cummings o E.F. Fuchs, entre otros), sin utilizar la medida indirecta de la corriente del rotor, ni separar las perdidas energeticas del nucleo de las Joule.
El documento " Torque and speed estimation for linestart IM using dot-cross Products of current and voltage vectors" IPEMC 2009, de Takahashi A; Oguro R, hace referencia a un procedimiento de estimacion del par y la velocidad de una maquina electromagnetica usando solamente la corriente y la tension, no siendo necesarios algunos parametros en el procedimiento. Los valores de los parametros se consiguen mediante medida o identificacion de la resistencia del rotor y la inductancia mutua.
El documento "Improved torque and speed estimation in sensorless induction motor drive", de Kalilah S.A., divulga un algoritmo que consiste en mejorar la estimacion de par y velocidad sin sensor en el accionamiento con motor de induccion. Se basa en un modelo matematico preciso que depende de los parametros reales del motor, que varian con la frecuencia del estator, el deslizamiento del rotor y la condicion ambiental. Se obtienen ecuaciones polinomicas de orden alto para obtener el par y la velocidad mediante la medicion digital de la corriente y la frecuencia del estator sin ningun sensor.
El documento "Induction machines performance evaluator 'torque speed estimation and rotor fault diagnostic", de Haji M; Ahmed S; Toliyat H A, de 2002, describe una tecnica para la evaluacion del rendimiento de la maquina de induccion. En el procedimiento propuesto, se estima la curva velocidad-par y se clasifica la condicion del motor. La unica informacion requerida para este algoritmo es el numero de polos, ranuras del rotor y corrientes del estator.
La patente CN-201510613382-A describe un procedimiento de medicion de una velocidad de giro optima y una curva de seguimiento de par de un conjunto generador eolico de eje vertical. En este documento, se menciona la posibilidad de determinacion de una curva de estimacion de la velocidad de giro y par como medio accesorio para la media de la velocidad de giro optima y el trazado de la curva de par.
Por tanto, sigue existiendo en la tecnica la necesidad de un procedimiento y dispositivo para la obtencion indirecta de los valores de par motor, velocidad y perdidas energeticas (Joule nucleo) en motores asincronicos trifasicos, utilizando los valores de las tensiones y corrientes del estator.
Sumario de la invencion
Para solucionar los problemas de las tecnicas anteriores, la presente invencion da a conocer, segun un primer aspecto, un procedimiento de determinacion del par, la velocidad y las perdidas energeticas de motores electricos asincronos trifasicos, que comprende las etapas de:
i) adquirir los valores instantaneos de tension
Figure imgf000005_0015
e intensidad
Figure imgf000005_0016
en el estator de las fases (A, B, C) en el punto de conexion del motor con la red electrica, obteniendo sus valores eficaces,
Figure imgf000005_0013
y
Figure imgf000005_0014
, asi como los valores complejos de las componentes a la frecuencia fundamental,
Figure imgf000005_0001
y
Figure imgf000005_0002
ii) determinar, a partir de las componentes a la frecuencia fundamental, las componentes complejas positiva, negativa y cero de las tensiones
Figure imgf000005_0003
y de las corrientes de secuencias
positiva y negativa
Figure imgf000005_0004
del estator;
iii) determinar los valores eficaces de las componentes de la tension del estator positiva y de desequilibrio
Figure imgf000005_0005
y de las corrientes del estator (/si+,/siM) como:
Figure imgf000005_0006
y, a partir de los valores eficaces a la frecuencia fundamental
Figure imgf000005_0008
y
Figure imgf000005_0009
y los valores eficaces de las tensiones y corrientes del estator
Figure imgf000005_0010
y
Figure imgf000005_0011
obtenidos en la etapa i), determinar las componentes de distorsion armonica de la tension del estator
Figure imgf000005_0012
y de la corriente del estator (l sD), siendo z = A,B,C,
Figure imgf000005_0007
iv) caracterizar el motor, obteniendo su corriente compleja nominal del estator en vacio, de secuencia positiva, a la frecuencia fundamental
Figure imgf000006_0007
la potencia activa (Pen ) y reactiva (Qen ) de vacio;
v) obtener la resistencia de perdidas en el nucleo (Re ) y la reactancia magnetizante (X^ ) de cada fase del motor, a partir de la tension simple nominal del estator (Vs n ) y de las potencias activa (Pen ) y reactiva (Qen ) nominales de vacio, como:
Figure imgf000006_0001
Figure imgf000006_0002
insertar los valores nominales del par ( Tn ) velocidad (nn , velocidad de sincronismo ( s ^ n ) frecuencia fundamental (f n) y corriente del estator ( Qn );
vii) obtener el valor eficaz de la corriente nominal del rotor reducida al estator
Figure imgf000006_0008
como el modulo de la diferencia vectorial
Figure imgf000006_0005
siendo la corriente compleja del estator nominal
Figure imgf000006_0006
viii) determinar el valor de la resistencia nominal del rotor reducida al estator (R 'r n ) a partir de las caracteristicas nominales:
Figure imgf000006_0003
ix) calcular la corriente compleja de vacio a la frecuencia fundamental de cada fase (z = A, B, C) del estator (/elz) como la relacion entre la tension compleja aplicada a cada fase del estator a la frecuencia fundamental ( Vslz ) y la impedancia compleja de vacio (Ze ), es decir,
Figure imgf000006_0004
x) aplicar el teorema de Fortescue para obtener las componentes de secuencias positiva
Figure imgf000007_0006
y de desequilibrio
Figure imgf000007_0005
de las corrientes de vacio, a la frecuencia fundamental;
xi) calcular el valor eficaz de la corriente de distorsion de cada fase del estator funcionando en vacio
Figure imgf000007_0008
por el cociente entre el valor eficaz de la componente de distorsion de la tension aplicada a cada fase (z = A, B, C) del estator
Figure imgf000007_0009
y la resistencia de perdidas en el hierro,
Figure imgf000007_0001
dado que la corriente de distorsion que circula por la reactancia magnetizante
Figure imgf000007_0010
puede considerarse despreciable;
xii) determinar el valor eficaz de la componente de secuencia positiva y frecuencia fundamental de la corriente del rotor reducida al estator
Figure imgf000007_0007
Figure imgf000007_0002
xiii) determinar el valor eficaz de la corriente de desequilibrio del rotor reducida al estator como:
Figure imgf000007_0003
xiv) obtener el valor eficaz de las corrientes de distorsion de cada fase del rotor reducida al estator (I r'Dz) como la diferencia cuadratica de las corrientes de cada fase del estator en carga (Isdz ) y en vacio (Ieo z ),
Figure imgf000007_0004
xv a partir de las componentes de la corriente del rotor reducida al estator (/ 'r l+ , I 'r lu , l 'rDz ) y la resistencia nominal del rotor reducida al estator (R 'rn), obtener las perdidas energeticas por Joule en funcion de las componentes de la corriente del
rotor:
Fundamental y positiva
Figure imgf000008_0004
Fundamental y desequilibrada
Figure imgf000008_0005
Distorsion armonica
Figure imgf000008_0001
xvi) a partir de las componentes de la tension del
estator (Vs\+,Vslu,VsD ) y la resistencia de perdidas
en el nucleo (Re), obtener las perdidas energeticas
en el nucleo en funcion de las componentes de la
tension del estator:
. Fundamental y positiva
Figure imgf000008_0002
b. Fundamental y desequilibrada
Figure imgf000008_0006
c. Distorsion armonica
Figure imgf000008_0003
xvii) a partir de las caracteristicas nominales del
motor anteriormente introducidas, determinar el
par mecanico (T) y la velocidad (n) desarrollados
en el eje del motor cuando se aplica al estator
otra tension sinusoidal, de la misma frecuencia
fundamental
Figure imgf000008_0008
y de secuencia positiva, pero de
valor eficaz
Figure imgf000008_0009
diferente del valor nominal
[V sn), como:
Figure imgf000008_0007
en donde / 'rn es el valor eficaz de la corriente
nominal reducida del rotor, e
Figure imgf000008_0010
es la corriente
reducida del rotor para la nueva tension del
estator (l£), que se obtiene en funcion de la
corriente medida en el estator en estas condiciones (/s) y de la corriente nominal de vacio
Figure imgf000009_0002
como:
Figure imgf000009_0001
sn Tal como puede apreciarse, el procedimiento anteriormente descrito segun la presente invencion evita el requisito de utilizar instrumentos caros de medida de par y de la velocidad, puesto que solo se necesitan un voltimetro, un amperimetro y un vatimetro conectados en el estator. Ademas, el procedimiento permite descomponer las perdidas energeticas del motor por efecto Joule en: fundamentales (equilibradas y desequilibradas) y no fundamentales, y en las componentes de las perdidas en el nucleo.
Segun realizaciones adicionales, tal como se vera a continuacion en el presente documento, el procedimiento segun la presente invencion tambien puede ampliarse al control de velocidad de motores asincronicos. Si el regulador de velocidad es un convertidor de frecuencia conectado en el lado del estator del motor, el procedimiento requiere la medida adicional de la frecuencia fundamental de las tensiones aplicadas al motor. Si el regulador de velocidad esta formado por resistencias rotoricas externas, debe conocerse el valor de dichas resistencias.
Segun otro aspecto de la presente invencion, se da a conocer un dispositivo de determinacion del par, la velocidad y las perdidas energeticas de motores electricos asincronos trifasicos, que comprende
- unos medios de medida y adquisicion de datos;
- un procesador;
- unos medios de calculo;
- unos medios de introduccion de datos; y
- unos medios de visualizacion.
Los medios de calculo estan adaptados para llevar a cabo las etapas del procedimiento segun el primer aspecto de la presente invencion.
Breve descripcion de los dibujos
La presente invencion se entendera mejor con referencia a los siguientes dibujos que ilustran realizaciones preferidas de la presente invencion, proporcionadas a modo de ejemplo, y que no deben interpretarse como limitativas de la invencion de ninguna manera:
La figura 1 es un diagrama que muestra la secuencia operacional del procedimiento segun la realizacion preferida de la presente invencion.
La figura 2 es un diagrama que representa una realizacion preferida del dispositivo para la medida del par, la velocidad y las perdidas energeticas segun la presente invencion.
Las figuras 3 y 4 son diagramas que representan realizaciones alternativas del dispositivo de medida de par, velocidad y perdidas energeticas para la medida en diferentes motores, en el que los medios de medida y adquisicion de datos y el procesador se encuentran en ubicaciones remotas unos con respectos a otros y estan conectados a traves de medios de comunicacion, ya sean por medios de comunicacion inalambricos o por cable.
La figura 5 es un diagrama que representa los modulos de programacion para el dispositivo de medida del par mecanico, la velocidad y las perdidas energeticas segun la realizacion preferida de la presente invencion.
La figura 6 muestra una representacion de los medios de visualizacion del dispositivo de medida segun una realizacion preferida de la presente invencion.
Descripcion detallada de las realizaciones preferidas Tal como se menciono anteriormente, un primer aspecto de la presente invencion se refiere a un procedimiento de determinacion del par, la velocidad y las perdidas energeticas de motores electricos asincronos trifasicos. Segun una realizacion preferida de la presente invencion, el procedimiento comprende las etapas de:
i) adquirir los valores instantaneos de tension
Figure imgf000011_0006
e intensidad
Figure imgf000011_0007
en el estator de las fases (A, B, C) en el punto de conexion del motor con la red electrica, obteniendo sus valores eficaces,
Figure imgf000011_0008
y
Figure imgf000011_0009
asi como los valores complejos de las componentes a la frecuencia fundamental,
Figure imgf000011_0002
y
Figure imgf000011_0003
de dichas tensiones y corrientes de las fases; ii) determinar, a partir de las componentes a la frecuencia fundamental, las componentes complejas positiva, negativa y cero de las tensiones
Figure imgf000011_0004
y de las corrientes de secuencias
positiva y negativa
Figure imgf000011_0005
del estator;
iii) determinar los valores eficaces de las componentes de la tension del estator positiva y de desequilibrio
Figure imgf000011_0011
y de las corrientes del estator
Figure imgf000011_0010
como:
Figure imgf000011_0001
y, a partir de los valores eficaces a la frecuencia fundamental
Figure imgf000011_0012
y
Figure imgf000011_0013
y los valores eficaces de las tensiones y corrientes del estator
Figure imgf000011_0014
y
Figure imgf000011_0015
obtenidos en la etapa i), determinar las componentes de distorsion armonica de la tension del estator
Figure imgf000011_0016
y de la corriente del estator
Figure imgf000011_0017
siendo z = A,B,C,
Figure imgf000012_0003
iv) caracterizar el motor, obteniendo su corriente compleja nominal del estator en vacio, de secuencia positiva, a la frecuencia fundamental
Figure imgf000012_0009
la potencia activa
Figure imgf000012_0008
y reactiva
Figure imgf000012_0007
de vacio, mediante uno de los siguientes procedimientos alternativos:
a. realizando un ensayo de vacio del motor electrico, dejando que su eje gire libremente (desconectando la carga), alimentandose el motor por una fuente de tension trifasica, de valor eficaz en cada fase ( V sn) igual a la tension simple nominal del motor, y midiendo en estas condiciones la componente de secuencia positiva y frecuencia fundamental de las corrientes del estator en vacio
Figure imgf000012_0004
tal como se describio en las etapas i) y ii), y calculando las potencias activa
Figure imgf000012_0005
y reactiva
Figure imgf000012_0006
nominales de vacio como:
Figure imgf000012_0001
b. usando los siguientes datos de catalogo o de la placa de caracteristicas del motor: Pn , potencia mecanica nominal, Vsn , la tension simple nominal del estator, p n, eficiencia nominal y, , el angulo del factor de potencia nominal, para obtener de forma aproximada los valores de la potencia activa (Pen ) y reactiva (Qen ) de vacio como:
Figure imgf000012_0002
y el valor complejo de la componente de secuencia positiva, a la frecuencia fundamental, de las corrientes de vacio, como:
Figure imgf000013_0004
v) obtener la resistencia de perdidas en el nucleo (Re ) y la reactancia magnetizante (X^ ) de cada fase del motor, a partir de la tension simple nominal del estator (Vs n ) y de las potencias activa (Pen ) y reactiva (Qen ) nominales de vacio, obtenidas en la etapa iv), como :
Figure imgf000013_0001
insertar los valores nominales del par ( Tn ), velocidad ( n n ), velocidad de sincronismo ( n s n), frecuencia fundamental (f n) y corriente del estator ( s^n );
vii) obtener el valor eficaz de la corriente nominal del rotor reducida al estator
Figure imgf000013_0008
como el modulo de la diferencia vectorial
Figure imgf000013_0005
siendo la corriente compleja del estator nominal
Figure imgf000013_0002
viii) determinar el valor de la resistencia nominal del rotor reducida al estator (R 'r n ) a partir de las caracteristicas nominales:
Figure imgf000013_0003
ix) calcular la corriente compleja de vacio a la frecuencia fundamental de cada fase (z = A, B, C) del estator
Figure imgf000013_0006
como la relacion entre la tension compleja aplicada a cada fase del estator a la frecuencia fundamental
Figure imgf000013_0007
y la impedancia compleja de vacio (Ze ), es decir,
Figure imgf000014_0004
x) aplicar el teorema de Fortescue para obtener las componentes de secuencias positiva (/el+ ) y de desequilibrio (/elM = /el_ ) de las corrientes de vacio, a la frecuencia fundamental;
xi) calcular el valor eficaz de la corriente de distorsion de cada fase del estator funcionando en vacio ( leDz ) por el cociente entre el valor eficaz de la componente de distorsion de la tension aplicada a cada fase (z = A, B, C) del estator ( V sDz) y la resistencia de perdidas en el hierro,
Figure imgf000014_0006
dado que la corriente de distorsion que circula por la reactancia magnetizante
Figure imgf000014_0005
puede considerarse despreciable;
xii) determinar el valor eficaz de la componente de secuencia positiva y frecuencia fundamental de la corriente del rotor reducida al estator (/'rl+),
Figure imgf000014_0001
xiii) determinar el valor eficaz de la corriente de desequilibrio del rotor reducida al estator como:
Figure imgf000014_0002
xiv) obtener el valor eficaz de las corrientes de distorsion de cada fase del rotor reducida al estator (I r'Dz) como la diferencia cuadratica de las corrientes de cada fase del estator en carga (
Figure imgf000014_0007
y en vacio
Figure imgf000014_0008
Figure imgf000014_0003
xv a partir de las componentes de la corriente del rotor reducida al estator
Figure imgf000014_0009
y la resistencia nominal del rotor reducida al estator
(R 'r n ) , obtener las perdidas energeticas por Joule
en funcion de las componentes de la corriente del
rotor:
Fundamental y positiva
Figure imgf000015_0004
Fundamental y desequilibrada
Figure imgf000015_0005
Distorsion armonica
Figure imgf000015_0001
xvi) a partir de las componentes de la tension del
estator
Figure imgf000015_0011
y la resistencia de perdidas
en el nucleo (Re), obtener las perdidas energeticas
en el nucleo en funcion de las componentes de la
tension del estator:
. Fundamental y positiva
Figure imgf000015_0002
b. Fundamental y desequilibrada
Figure imgf000015_0006
c. Distorsion armonica
Figure imgf000015_0003
xvii) a partir de las caracteristicas nominales del
motor anteriormente introducidas, determinar el
par mecanico
Figure imgf000015_0010
y la velocidad (n ) desarrollados
en el eje del motor cuando se aplica al estator
otra tension sinusoidal, de la misma frecuencia
fundamental
Figure imgf000015_0008
y de secuencia positiva, pero de
valor eficaz
Figure imgf000015_0009
diferente del valor nominal
(Vs n ), como:
Figure imgf000015_0007
en donde I 'rn es el valor eficaz de la corriente
nominal reducida del rotor, e / 'r es la corriente
reducida del rotor para la nueva tension del estator (l£), que se obtiene en funcion de la corriente medida en el estator en estas condiciones (I s) y de la corriente nominal de vacio (I en), como:
Figure imgf000016_0001
Segun una primera alternativa, cuando el procedimiento se aplica a un motor regulado por un convertidor electronico de frecuencia, el procedimiento comprende ademas, antes de la etapa xvii), la etapa de registrar la frecuencia fundamental (/) de las tensiones y corrientes del estator. Tal como entendera el experto en la tecnica, en el caso general en el que el motor no esta regulado por un convertidor electronico de frecuencia, la frecuencia fundamental en el estator es siempre igual a la frecuencia de la red electrica
Figure imgf000016_0004
Segun una segunda alternativa, cuando el procedimiento se aplica a un motor regulado por resistencias externas (Rc ) conectadas al rotor, el procedimiento comprende ademas, antes de la etapa xvii), la etapa de obtener el valor de la resistencia del rotor reducida al estator (R ' r ), mediante
Figure imgf000016_0002
Ademas, en el procedimiento segun cualquiera de las alternativas anteriormente descritas, la etapa xvii) comprende determinar el par mecanico (T) y la velocidad (n ) desarrollados en el eje del motor mediante:
Figure imgf000016_0003
A continuacion se describira mas detalladamente, haciendo referencia a la figura 1, una realizacion preferida del procedimiento anteriormente descrito. El procedimiento segun la realizacion preferida mostrada en la figura 1 comprende las siguientes operaciones:
- Procesado digital (1) de las senales muestreadas obtenidas por el dispositivo fisico (vease la figura 2) de medida y adquisicion de senales electricas del dispositivo, obteniendose (en 2) las matrices de valores eficaces y fases iniciales de tension e intensidad a frecuencia fundamental para cada fase, en total seis matrices para cada fase de tension e intensidad, asi como (en 3) los valores eficaces de las tensiones y corrientes del estator.
- Con estas matrices se obtienen (en 4) los valores eficaces y fases iniciales de las componentes de secuencia positiva, negativa y cero de las tensiones y corrientes del estator a la frecuencia fundamental.
- A partir de las matrices de valores eficaces y fases iniciales de tension e intensidad de las componentes simetricas (en 4) y de los valores eficaces de las tensiones e intensidad del estator (en 3), se obtienen los valores eficaces de las componentes de tension e intensidad (en 5), segun las expresiones [1] y [2], mostradas anteriormente.
- A partir de un ensayo de vacio (en 6) se miden los valores eficaces y sus fases iniciales de la tension e intensidad del estator positiva a frecuencia fundamental, obteniendo la potencia activa y reactiva de vacio, segun la expresion [6] mostrada anteriormente.
- A partir de los datos de entrada del catalogo del motor (en 7), se obtienen los valores estimados de la potencia activa y reactiva de vacio, segun la expresion [3], mostrada anteriormente.
- A partir de las potencias obtenidas (en 6 67) se determinan los elementos del circuito equivalente en vacio (en 8), segun la expresion [3], mostrada anteriormente.
- A partir de los elementos del circuito equivalente en vacio (en 8) y la tension nominal del estator, positiva, a frecuencia fundamental, se obtiene el valor eficaz y fase inicial de la corriente nominal de vacio (en 9), segun la expresion [4], mostrada anteriormente.
- A partir del valor eficaz y fase inicial de la intensidad nominal del estator positiva a frecuencia fundamental en vacio (en 9) y el valor eficaz y fase inicial de la intensidad nominal del estator (en 7), se obtiene la intensidad nominal del rotor reducida al estator (en 10), segun la expresion [7], mostrada anteriormente.
- A partir de los datos de entrada del motor (en 7), se obtiene la resistencia nominal del rotor reducida al estator (en 11), segun la expresion [8], mostrada anteriormente.
- A partir de los elementos del circuito equivalente en vacio (en 8) y la tension del estator, positiva, a frecuencia fundamental, y de distorsion se obtienen (en 9) los valores eficaces y las fases iniciales de las corrientes de vacio de cada fase y sus componentes a la frecuencia fundamental y de distorsion, segun las expresiones [9] y [10] , mostradas anteriormente.
- A partir de las componentes de la intensidad del estator (en 5) y de las componentes de las corrientes de vacio (en 9), se obtienen las componentes de la corriente del rotor reducida al estator (en 12), segun las expresiones [11] , [12], [13] y [18], mostradas anteriormente.
- A partir de la resistencia nominal del rotor reducida al estator (en 11) y las componentes de la corriente del rotor reducida al estator (en 12), se obtienen las perdidas energeticas por Joule (en 13), segun las expresiones [14], mostradas anteriormente.
- A partir de la resistencia equivalente del nucleo (en 8) y las componentes de la tension del estator (en 5), se obtienen las perdidas energeticas en el nucleo (en 14), segun las expresiones [15], mostradas anteriormente.
- A partir de las caracteristicas nominales del motor (en 7), la intensidad nominal del rotor reducida al estator (en 10), la intensidad del rotor reducida al estator (en 12) y la tension del estator (en 5), se obtienen el par mecanico y la velocidad (en 17), segun la expresion [17], mostrada anteriormente.
- A partir del valor de las resistencias conectadas al rotor y los valores eficaces de las intensidades nominales del rotor reducida al estator y del estator (en 15), se obtiene el valor de la resistencia del rotor reducida al estator, segun la expresion [16], mostrada anteriormente.
- A partir de la medida de la tension y frecuencia fundamental del convertidor electronico (en 16) y/o el valor de la resistencia del rotor reducida al estator, se obtienen el par mecanico y la velocidad en el eje (en 17), segun la expresion [19], mostrada anteriormente.
- La informacion grafica y numerica del par mecanico, la velocidad y las perdidas energeticas, asi como ciertos valores de las magnitudes fisicas utilizadas durante el procedimiento, se visualizan (en 18) en un dispositivo de visualizacion.
En la figura 2 se muestra una realizacion preferida de un dispositivo para la puesta en practica del procedimiento de determinacion anteriormente descrito, que comprende unos medios fisicos de medida y adquisicion de datos (senales electricas) (A), un procesador (B), asi como unos medios de calculo (C) , unos medios de introduccion de datos y unos medios de visualizacion (D).
Los medios fisicos de medida y adquisicion de datos (A) comprenden unos acondicionadores de senal y una tarjeta de adquisicion de datos. Los acondicionadores de senal adaptan los valores instantaneos de las tensiones y corrientes del secundario de unos sensores de medida de tension e intensidad (E), de manera que las tensiones en sus salidas puedan ser aplicables a las entradas analogicas de la tarjeta de adquisicion o dispositivo equivalente, que convierte las senales analogicas de tension e intensidad en una serie de muestras discretas que se utilizan como entrada en el programa de medida. El procesador (B) dispone de una placa base en la que se coloca la tarjeta de adquisicion para que se puedan intercambiar las muestras discretas de las senales de tension e intensidad con el programa de medida (C), al cual se le pueden introducir las especificaciones tecnicas del motor asincrono trifasico mediante los medios de introduccion de datos. En los medios de visualizacion (D) se visualiza toda la informacion sobre las formas de onda y el valor de todas las magnitudes electricas relacionadas con la medida del par mecanico, la velocidad y las perdidas energeticas a saber: tensiones, intensidades, perdidas por Joule y nucleo y sus componentes en el motor asincrono trifasico.
Segun una realizacion preferida, los medios de introduccion de datos y los medios de visualizacion pueden implementarse de manera conjunta mediante una pantalla tactil.
Tal como se muestra en la figura 2, los medios de medida y adquisicion de datos (A) y el procesador (B) se encuentran dentro de una misma carcasa y estan conectados por medios fisicos (cableado).
Segun otras realizaciones del dispositivo segun la presente invencion, los medios de medida y adquisicion de datos (A) y el procesador (B) se encuentran en ubicaciones remotas unos con respectos a otros y estan conectados a traves de medios de comunicacion, ya sean por medios de comunicacion inalambricos o por cable.
Por ejemplo, tal como se muestra en la figura 3, los medios de medida y adquisicion de datos (A) y el procesador (B) estan conectados a traves de medios de comunicacion inalambricos (subred WiFi o IoT). Para ello, el dispositivo comprende ademas una tarjeta de comunicacion WiFi para actuar de interfaz entre los medios de medida y adquisicion de datos (A) y el procesador (B).
Segun otra alternativa mostrada en la figura 4, los medios de medida y adquisicion de datos (A) y el procesador (B) estan conectados a traves de medios de comunicacion por cable (subred de Ethernet). Para ello, el dispositivo comprende ademas una tarjeta de red para actuar de interfaz entre los medios de medida y adquisicion de datos (A) y el procesador (B).
Haciendo ahora referencia a la figura 5, se describiran los diversos modulos que componen los medios de calculo (programa de medida) (C) segun una realizacion preferida de la presente invencion:
- Modulo de procesado digital de senal (19), que adquiere muestras de tension e intensidad, y las guarda en un vector para cada una de ellas.
- Modulo de analisis (20), en el que se obtienen los valores eficaces y la fase inicial de las tensiones y corrientes de frecuencia fundamental del estator, asi como los valores eficaces de las tensiones y corrientes del estator, a partir de las muestras adquiridas en el modulo de procesado digital de senal (19).
- Modulo de simetricas (21), que obtiene las matrices de las componentes de secuencia positiva, negativa y cero, en valor eficaz y en fase, de las tensiones y corrientes del estator a la frecuencia fundamental, a partir de las matrices obtenidas en el modulo anterior.
- Modulo de componentes del estator (22), que obtiene las matrices de las componentes de secuencia positiva, en valor eficaz y en fase, de las tensiones y corrientes del estator a la frecuencia fundamental y los valores eficaces de las componentes de desequilibrio y distorsion armonica de las tensiones y corrientes del estator, segun las expresiones [1] y [2] anteriormente mostradas, a partir de las matrices obtenidas en el modulo anterior.
- Modulo de caracteristicas en vacio (25), que obtiene: a) los valores de los elementos del circuito equivalente del motor en vacio, segun la expresion [5] anteriormente mostrada, a partir de los datos de entrada del motor (24) segun la expresion [3] anteriormente mostrada, o a partir del ensayo de vacio realizado (23) segun la expresion [6] anteriormente mostrada, y, b) la corriente del estator en vacio, en valor eficaz y fase inicial, a partir de los datos del motor (24), segun la expresion [4] anteriormente mostrada o partir del ensayo de vacio como medida directa desde el modulo anterior (22).
- Modulo de caracteristicas nominales del rotor (26), que obtiene la corriente nominal del rotor reducida al estator, segun la expresion [7] anteriormente mostrada, y la resistencia nominal del rotor reducida al estator, segun la expresion [8] anteriormente mostrada.
- Modulo de componentes de corriente del rotor (27), que obtiene las componentes de la corriente del rotor reducida al estator, segun las expresiones [11], [12] y [13] anteriormente mostradas, en base a los datos obtenidos en los modulos de caracteristicas en vacio (25) y el de componentes del estator (22).
- Modulo de perdidas por Joule (28), en el que se obtiene las perdidas energeticas por Joule y sus componentes, en base a los datos obtenidos en los modulos de caracteristicas nominales del rotor (26) y el de componentes de corriente del rotor (27), de acuerdo con las expresiones
[14] anteriormente mostradas.
- Modulo de perdidas en el nucleo (29), en el que se obtiene las perdidas energeticas en el nucleo del motor y sus componentes, en base a los datos obtenidos en los modulos de caracteristicas del estator en vacio (25) y el de componentes de corriente del estator (22), de acuerdo con las expresiones [15] anteriormente mostradas.
- Modulo de control (30), si se dispone de algun sistema de regulacion, seleccionando entre: a) control por resistencias rotoricas, en el que se introduce el valor de la resistencia externa conectada al rotor y a partir de los valores eficaces de las corrientes del rotor y estator nominales, se obtiene el valor de la resistencia del rotor reducida al estator, segun la expresion [16] anteriormente mostrada, b) convertidor electronico, en el que se registra la frecuencia fundamental del estator a partir del modulo de analisis (20).
- Modulo de par y velocidad (31), en el que se obtiene el par mecanico y la velocidad del motor, segun la expresion [17] anteriormente mostrada, si solo existe ajuste en el valor de la tension del estator, y la expresion [18] anteriormente mostrada, si existe algun tipo de regulacion mediante resistencias rotoricas o convertidor electronico, elegido en el modulo anterior.
- Modulo de visualizacion (32), encargado de mostrar en una pantalla la informacion grafica y numerica del par mecanico, la velocidad y las perdidas energeticas, asi como ciertos valores de las magnitudes fisicas utilizadas durante el procedimiento, tal como se muestra a modo de ejemplo en la figura 6.
Segun todo lo expuesto, la presente invencion resuelve varios aspectos relevantes que la diferencian y le confieren claras ventajas respecto de las tecnicas anteriores:
- Medida indirecta de la corriente del rotor, a partir de la medida directa de las corrientes del estator.
- Medida indirecta de las perdidas energeticas por separado, nucleo y Joule, con el motor en funcionamiento.
- Medida de las componentes de las perdidas energeticas debidas a las corrientes (Joule) y tensiones (nucleo): fundamental equilibrada, desequilibrios y armonicos.
- Sencillez de implementacion.
La invencion se ha descrito haciendo referencia a realizaciones preferidas de la misma. Sin embargo, el experto en la tecnica entendera que pueden aplicarse diversas modificaciones y variaciones a dichas realizaciones sin por ello alejarse del alcance de proteccion previsto por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    Procedimiento de determinacion del par, la velocidad y las perdidas energeticas de motores electricos asincronos trifasicos, que comprende las etapas de: i) adquirir los valores instantaneos de tension ( v SA ,vSB ,v sc ) e intensidad ( iSA , i s B ,h c ) en el estator de las fases (A, B, C) en el punto de conexion del motor con la red electrica, obteniendo sus valores eficaces, (VsA,VsB,VsC ) y (Isa>1sb>1sc ), asi como los valores complejos de las componentes a la frecuencia fundamental, ( VsA1, VsB1, VsC1 ) y (IsAl, ^sBl, s^Cl );
    ii) determinar, a partir de las componentes a la frecuencia fundamental, las componentes complejas positiva, negativa y cero de las tensiones ( V si+ ,V s i-V sio ,) y de las corrientes de secuencias positiva y negativa (/sl+,/sl_) del estator;
    iii) determinar los valores eficaces de las componentes de la tension del estator positiva y de desequilibrio (Vs\+,Vsi u ) y de las corrientes del estator (/si+ , /si M) como:
    ^slu = V K 21 - Vs210 ^slu = Is l- [1] y, a partir de los valores eficaces a la frecuencia fundamental ( VsA1, VsB1, VsC1 ) y ( IsA1, IsB1, IsC1 ) y los valores eficaces de las tensiones y corrientes del estator (Vsa ,^ sb,^sc ) y (IsA, IsB, h c ) obtenidos en la etapa i), determinar las componentes de distorsion armonica de la tension del estator (V sD) y de la corriente del estator (l sD), siendo z = A,B,C, Vs D = ^ 1 z Vs2z - 1 z Vs2z1 isD = ^ z i 2z - Y . z i 2zs 1 [2] iv) caracterizar al motor, obteniendo su corriente compleja nominal del estator en vacio, de secuencia positiva, a la frecuencia fundamental
    Figure imgf000026_0004
    , la potencia activa (Pen ) y reactiva (Qen ) de vacio;
    v) obtener la resistencia de perdidas en el nucleo (Re ) y la reactancia magnetizante (X ^ ) de cada fase del motor, a partir de la tension simple nominal del estator (Vsn ) y de las potencias activa (Pen ) y reactiva (Qen ) nominales de vacio, como:
    Figure imgf000026_0003
    vi) insertar los valores nominales del par ( Tn ), velocidad (n n), velocidad de sincronismo (n sn), frecuencia fundamental
    Figure imgf000026_0005
    y corriente del estator (^ sn );
    vii) obtener el valor eficaz de la corriente nominal del rotor reducida al estator
    Figure imgf000026_0006
    como el modulo de la diferencia vectorial
    Figure imgf000026_0007
    siendo la corriente compleja del estator nominal
    Figure imgf000026_0001
    viii) determinar el valor de la resistencia nominal del rotor reducida al estator (R 'r n ) a partir de las caracteristicas nominales:
    Figure imgf000026_0002
    ix) calcular la corriente compleja de vacio a la frecuencia fundamental de cada fase (z = A, B, C) del estator (/elz) como la relacion entre la tension compleja aplicada a cada fase del estator a la frecuencia fundamental ( Vslz ) y la impedancia compleja de vacio (Ze ), es decir,
    Figure imgf000027_0002
    x) aplicar el teorema de Fortescue para obtener las componentes de secuencias positiva (/el+ ) y de desequilibrio ( lelu = /el_ ) de las corrientes de vacio, a la frecuencia fundamental;
    xi) calcular el valor eficaz de la corriente de distorsion de cada fase del estator funcionando en vacio ( leDz ) por el cociente entre el valor eficaz de la componente de distorsion de la tension aplicada a cada fase (z = A, B, C) del estator (VsDz ) y la resistencia de perdidas en el hierro,
    Figure imgf000027_0007
    xii determinar el valor eficaz de la componente de secuencia positiva y frecuencia fundamental de la corriente del rotor reducida al estator (/'rl+),
    Figure imgf000027_0003
    xiii) determinar el valor eficaz de la corriente de desequilibrio del rotor reducida al estator como:
    Figure imgf000027_0001
    xiv) obtener el valor eficaz de las corrientes de distorsion de cada fase del rotor reducida al estator
    Figure imgf000027_0006
    como la diferencia cuadratica de las corrientes de cada fase del estator en carga (Isdz ) y en vacio
    Figure imgf000027_0005
    Figure imgf000027_0004
    xv a partir de las componentes de la corriente del rotor reducida al estator (/ 'r l+ , I 'r lu , l 'rDz ) y la resistencia nominal del rotor reducida al estator (R 'r n ) , obtener las perdidas energeticas por Joule
    en funcion de las componentes de la corriente del
    rotor:
    Fundamental y positiva
    Figure imgf000028_0004
    Fundamental y desequilibrada
    Figure imgf000028_0005
    Distorsion armonica
    Figure imgf000028_0001
    xvi) a partir de las componentes de la tension del
    estator (Vs\+ ,V slu ,VsD ) y la resistencia de perdidas
    en el nucleo (Re), obtener las perdidas energeticas
    en el nucleo en funcion de las componentes de la
    tension del estator:
    . Fundamental y positiva
    Figure imgf000028_0002
    b. Fundamental y desequilibrada
    Figure imgf000028_0006
    c. Distorsion armonica
    Figure imgf000028_0003
    xvii) a partir de las caracteristicas nominales del
    motor anteriormente introducidas, determinar el
    par mecanico (T ) y la velocidad (n ) desarrollados
    en el eje del motor cuando se aplica al estator
    otra tension sinusoidal, de la misma frecuencia
    fundamental (f n) y de secuencia positiva, pero de
    valor eficaz ( V s) diferente del valor nominal
    [V sn), como:
    Figure imgf000028_0007
    en donde / 'rn es el valor eficaz de la corriente
    nominal reducida del rotor, e / 'r es la corriente
    reducida del rotor para la nueva tension del
    estator (l£), que se obtiene en funcion de la corriente medida en el estator en estas condiciones
    Figure imgf000029_0004
    y de la corriente nominal de vacio
    Figure imgf000029_0003
    como:
    Figure imgf000029_0002
    Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la etapa iv) de caracterizar el motor se realiza mediante un ensayo de vacio del motor electrico, dejando que su eje gire libremente (desconectando la carga), alimentandose el motor por una fuente de tension trifasica, de valor eficaz en cada fase (Vsn ) igual a la tension simple nominal del motor, y midiendo en estas condiciones la componente de secuencia positiva y frecuencia fundamental de las corrientes del estator en vacio (7en), tal como se describe en las etapas i) y ii), y calculando las potencias activa (Pen ) y reactiva (Qen ) nominales de vacio como:
    Figure imgf000029_0001
    Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la etapa iv) de caracterizar el motor se realiza usando los siguientes datos de catalogo o de la placa de caracteristicas del motor: Pn , potencia mecanica nominal, Vsn , la tension simple nominal del estator, gn , eficiencia nominal y, <p n , el angulo del factor de potencia nominal, para obtener de forma aproximada los valores de la potencia activa (Pen ) y reactiva (Qen ) de vacio, como:
    Figure imgf000029_0005
    y el valor complejo de la componente de secuencia positiva, a la frecuencia fundamental, de las corrientes de vacio, como:
    Figure imgf000030_0002
    4. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el motor esta regulado por un convertidor electronico de frecuencia, caracterizado por que comprende ademas, antes de la etapa xvii), la etapa de registrar la frecuencia fundamental (/) de las tensiones y corrientes del estator.
    5. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el rotor esta regulado por resistencias externas ( Rc ) conectadas al rotor, caracterizado por que comprende ademas, antes de la etapa xvii), la etapa de obtener el valor de la resistencia del rotor reducida al estator (
    Figure imgf000030_0004
    mediante
    Figure imgf000030_0001
    6. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 4 y 5, caracterizado por que la etapa xvii) comprende determinar el par mecanico ( T ) y la velocidad ( n ) desarrollados en el eje del motor mediante:
    Figure imgf000030_0003
    7. Dispositivo de determinacion del par, la velocidad y las perdidas energeticas de motores electricos asincronos trifasicos, que comprende
    - unos medios de medida y adquisicion de datos (A); - un procesador (B);
    - unos medios de calculo (C);
    - unos medios de introduccion de datos; y
    - unos medios de visualizacion (D);
    estando los medios de calculo (C) adaptados para llevar a cabo las etapas del procedimiento segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.
    8. Dispositivo segun la reivindicacion 7, caracterizado por que los medios de medida y adquisicion de datos (A) y el procesador (B) estan conectados a traves de medios fisicos.
    9. Dispositivo segun la reivindicacion 7, caracterizado por que los medios de medida y adquisicion de datos (A) y el procesador (B) se encuentran en ubicaciones remotas unos con respectos a otros y estan conectados a traves de medios de comunicacion.
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