ES2965012T3 - Circuito de accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad multinivel - Google Patents

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Abstract

Un variador de velocidad ajustable de alta velocidad de múltiples niveles tiene una pluralidad de puentes inversores trifásicos de múltiples niveles, modulares, en donde los puentes inversores trifásicos de múltiples niveles operan con frecuencia fundamental, f, en donde los puentes inversores trifásicos de múltiples niveles incluyen al menos al menos tres niveles, en donde los puentes inversores trifásicos multinivel funcionan en modo de modulación de ancho de pulso (PWM) con 9 a 21 x o funcionan en modo de frecuencia fundamental (FFM), en donde la frecuencia de conmutación del inversor es igual a la frecuencia fundamental, en donde los puentes inversores trifásicos multinivel , los inversores trifásicos funcionan con fase dividida de modo que un grupo se desplaza del otro en un ángulo, θ = 60/q, donde el desplazamiento de fase de un componente armónico de orden n entre grupos, θn es nθ /q; un motor polifásico de alta velocidad con fases dispuestas en q grupos trifásicos; y medios electromagnéticos para bloquear grupos seleccionados de armónicos mientras pasan componentes a la frecuencia fundamental, f, en donde los medios electromagnéticos incluyen bobinas que transportan corriente de motor unidas por un núcleo magnético, en donde los medios electromagnéticos están interpuestos entre la pluralidad de inversores trifásicos modulares de niveles múltiples puentes y el motor polifásico de alta velocidad. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Circuito de accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad multinivel
Antecedentes de la invención
1. Campo de la invención
La presente invención se refiere en general a circuitos de accionamiento de velocidad ajustable, y más específicamente a circuitos de accionamiento de velocidad ajustable de múltiples niveles y alta velocidad. Aún más específicamente, la presente invención se refiere a circuitos de accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad y múltiples niveles para accionar motores de media tensión y alta velocidad.
2. Discusión de la técnica relacionada
Los compresores centrífugos para aplicaciones de procesamiento y tuberías de gas natural funcionan a velocidades que oscilan entre 5.000 y 20.000 RPM a niveles de potencia de 25 a 2 MW, respectivamente, y la velocidad más baja se asocia con niveles de potencia más altos y viceversa. Normalmente, cuando se trata de compresores accionados eléctricamente, el motor es un motor de baja velocidad de 50 o 60 Hz, 3600 RPM como máximo, que se acciona a través de una caja de engranajes que aumenta la velocidad hasta el compresor. Más recientemente, ha habido mucho interés en motores de alta velocidad que puedan accionar un compresor de gas directamente, eliminando así la caja de engranajes. En cualquier caso, generalmente se requiere un accionamiento de velocidad ajustable (ASD) para accionar el motor, principalmente porque la inercia de la carga es alta y es difícil arrancar directamente a través de la línea de suministro de energía y, en segundo lugar, porque el ASD permite, en el caso de un compresor accionado por un motor, el flujo de gas se puede variar sin las pérdidas de energía asociadas con la estrangulación del flujo. La mayoría de las soluciones ASD disponibles comercialmente, particularmente las de media tensión (MT) (voltajes entre 2,4 kV y 13,8 kV), están diseñadas para funcionar con motores de menor velocidad que funcionan a no más de 50 o 60 Hz. Por lo tanto, la tecnología de los dispositivos de control y conmutación está diseñada para satisfacer las necesidades de este segmento del mercado de baja velocidad. De hecho, el método normal de sintetizar un voltaje sinusoidal con modulación de ancho de pulso (PWM) encuentra limitaciones con los ASD trifásicos convencionales cuando la frecuencia fundamental excede los 200 Hz porque el PWM generalmente requiere que los dispositivos semiconductores conmuten a nueve o más veces la frecuencia fundamental o 1,8 kHz. El problema se vuelve más difícil cuando (p. ej., IGBT de > 1700 V) se emplean semiconductores del tipo requerido para la salida de MT, ya que pueden limitarse a una frecuencia de conmutación tan pequeña como 900 Hz. (Nota: los datos de proveedores publicados más recientemente sobre unidades MT mostrarán limitaciones de 120-200 Hz para la frecuencia fundamental).
Un requisito crítico para cualquier ASD de este tipo es que la distorsión armónica en el motor se mantenga a un nivel muy bajo (<<5% THD). Esto se debe a que la resistencia de los devanados del motor aumenta con la frecuencia de la corriente alterna (CA) y, en el caso de un diseño de motor de alta velocidad, evitar pérdidas minimizando los armónicos es un requisito crítico para la combinación de motor e inversor. La FIG. 1 muestra las formas de onda de corriente descritas en esta técnica anterior que tienen una proporción excesiva de distorsión armónica del 5° y 7°. Un objetivo clave es eliminar dichos armónicos en la medida en que dicho sistema pueda aplicarse a un motor de alta potencia y velocidad (> 3600 RPM) de manera práctica.
El documento US 2009/045782 A1 divulga un sistema de conversión de potencia que comprende dos puentes inversores trifásicos de tres niveles que funcionan en modo de modulación de ancho de pulso (PWM) o en modo de frecuencia fundamental (FFM) y con un cambio de fase de 30°. El sistema comprende además un motor trifásico y un transformador desfasado acoplado entre los puentes inversores trifásicos y el motor trifásico.
El documento US 5 574 631 A divulga un sistema que comprende dos inversores trifásicos que proporcionan dos conjuntos de corriente que tienen un cambio de fase de 30° entre sí, tres transformadores de núcleo común de tres devanados acoplados a las salidas de los dos inversores trifásicos, y un transformador de ajuste de acoplamiento de cambio de fase de 30 grados acoplado a la salida de los transformadores para eliminar los cambios de fase entre los dos conjuntos de corriente.
El documento US 8 564 238 B2 divulga un sistema que comprende un motor eléctrico de 6 fases que tiene dos devanados en estrella y dos inversores trifásicos acoplados al motor de 6 fases a través de tres transformadores de acoplamiento que están dispuestos cada uno para proporcionar un acoplamiento negativo entre cada devanado de fase de un primer devanado en estrella y el correspondiente devanado de fase conectado en serie del otro devanado en estrella.
Compendio de la invención
Diversas realizaciones de la invención abordan ventajosamente las necesidades anteriores, así como otras necesidades, proporcionando un circuito de accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad y múltiples niveles como se reivindica en la reivindicación independiente 1. Las realizaciones especialmente preferidas de la presente invención son materia de las reivindicaciones dependientes.
Breve descripción de los dibujos
Los anteriores y otros aspectos, características y ventajas de diversas realizaciones de la presente invención serán más evidentes a partir de la siguiente descripción más particular de la misma, presentada junto con los siguientes dibujos.
La FIG. 1 es un gráfico de la corriente del devanado del motor a lo largo del tiempo que muestra el efecto del accionamiento de velocidad ajustable en esta técnica anterior que tiene una proporción excesiva de la 5° y 7° distorsión armónica
La FIG. 2 es un diagrama de bloques de un accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad y múltiples niveles de acuerdo con una realización de la invención.
La FIG. 3 es un diagrama esquemático del accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad de múltiples niveles de la FIG. 2.
La FIG. 4 es un gráfico de voltaje línea a línea durante un ciclo fundamental que muestra el voltaje línea a línea bajo una condición operativa nominal generada por el accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad de múltiples niveles de la FIG. 2.
La FIG. 5 es un diagrama esquemático de una configuración en zigzag de un transformador interfásico del accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad de múltiples niveles de la FIG. 2.
La FIG. 6 es un diagrama vectorial que ilustra voltajes equilibrados y corrientes supuestas de cada inversor del accionamiento de velocidad ajustable de alto voltaje de múltiples niveles de la FIG. 2.
La FIGs. 7 y 8 son diagramas fasoriales que ilustran los voltajes armónicos 5° y 7° y secuencias de fase, positivas y negativas, respectivamente, generados por un bloqueador de armónicos del accionamiento de velocidad ajustable de alto voltaje de múltiples niveles de la FIG. 2.
La FIG. 9 es un gráfico de los voltajes línea a línea del motor durante un ciclo fundamental, después de que se aplica el bloqueador de armónicos con el voltaje de las FIGs. 7 y 8 desde un inversor del accionamiento de velocidad ajustable de alto voltaje de múltiples niveles de la FIG. 2.
La FIG. 10 es un diagrama esquemático de una realización alternativa del transformador interfásico de la FIG. 5.
La FIG. 11 es un diagrama esquemático de otra realización alternativa del transformador interfásico de la FIG. 5.
La FIG. 12 es un diagrama esquemático de una realización de nueve fases del transformador interfásico de la FIG. 5.
La FIG. 13 es un diagrama de bloques de una realización de doce fases del sistema de la Figura 1.
Los caracteres de referencia correspondientes indican componentes correspondientes en las distintas vistas de los dibujos. Los artesanos expertos apreciarán que los elementos de las figuras estén ilustrados por simplicidad y claridad y no necesariamente hayan sido dibujados a escala. Por ejemplo, las dimensiones de algunos de los elementos de las figuras pueden exagerarse con respecto a otros elementos para ayudar a mejorar la comprensión de diversas realizaciones de la presente invención. Además, los elementos comunes, pero bien comprendidos que son útiles o necesarios en una realización comercialmente factible a menudo no se representan para facilitar una vista menos obstruida de estas diversas realizaciones de la presente invención.
Descripción detallada
La siguiente descripción no debe tomarse en un sentido limitante, sino que se realiza simplemente con el propósito de describir los principios generales de realizaciones de ejemplo. El alcance de la invención está definido por las reivindicaciones.
La referencia a lo largo de esta memoria descriptiva a "una realización", "una realización" o lenguaje similar significa que una característica, estructura o rasgo particular descrita en relación con la realización está incluida en al menos una realización de la presente invención. Por lo tanto, las apariciones de las frases "en una realización", "en una realización" y lenguaje similar a lo largo de esta memoria descriptiva pueden, pero no necesariamente, referirse a la misma realización.
La presente realización elimina la barrera de frecuencia fundamental típica de muchos diseños de accionamiento de velocidad ajustable (ASD) al operar el inversor de tres niveles o de múltiples niveles en el modo de frecuencia fundamental (FFM), un modo en el que se produce una onda de voltaje variable casi rectangular. por el inversor con una eficiencia muy alta, normalmente superior al 99,4%. En FFM, los conmutadores del inversor conmutan solo una vez por ciclo de frecuencia fundamental. Este voltaje de salida FFM tiene un alto porcentaje de armónicos 5° y 7° y otros en el voltaje de salida. Si este voltaje se aplica directamente a un motor de imán permanente (PM) o a un motor de inducción, la corriente no sinusoidal resultante causaría pérdidas excesivas en el rotor del motor, que degrada la eficiencia y posiblemente sobrecalienta el motor. Un efecto secundario adicional sería la producción de un par vibratorio o una ondulación del par que, con una frecuencia coincidente con una resonancia mecánica, podría destruir el eje del motor y/o el acoplamiento. Un objeto clave de esta invención es acoplar la salida de un inversor FFM para reducir o eliminar los armónicos de orden inferior en el motor y los efectos secundarios descritos anteriormente. Hacerlo facilita el diseño de un inversor de alto voltaje y potencia sin conexiones en serie de conmutadores semiconductores de bajo voltaje. Alternativamente, el inversor funciona sin la conexión en serie de las salidas de CA de numerosos puentes inversores que necesariamente requieren numerosas fuentes de CC aisladas individualmente, como se requiere en el de circuito inversor común del tipo puente H en cascada (CHB) de la patente de EE.UU No.
5,625,545.
De hecho, con la reducción a la práctica incorporada en esta invención, el controlador puede fabricarse como un sistema de seis fases, en lugar del sistema de doce fases más complicado descrito en otra técnica anterior (p. ej., Sabin, et al, patente de EE. UU. 2008/010362). Esto minimiza la complejidad y aumenta la fiabilidad.
Haciendo referencia en primer lugar a la FIG. 2, se muestra un diagrama de bloques de un accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad (> 3600 RPM) de múltiples niveles de acuerdo con una realización de la invención.
Se muestra un primer inversor 2 trifásico multinivel alimentado por voltaje y un segundo inversor 4 trifásico multinivel alimentado por voltaje, una(s) primera(s) fuente(s) 1 de alimentación de CC , una segunda fuente 3 de alimentación de CC , un transformador 5 interfásico , y un motor 6 de seis fases.
La primera fuente 1 de alimentación de CC está acoplada al primer inversor 2 alimentado por voltaje trifásico, y la segunda fuente 3 de alimentación de CC está acoplada al segundo inversor 4 alimentado por voltaje trifásico.
El primer inversor 2 trifásico alimentado por voltaje y el segundo inversor 4 trifásico alimentado por voltaje, respectivamente, están acoplados al primer y segundo terminal de entrada del transformador 5 interfásico. Los terminales de salida del transformador 5 interfásico están acoplados a respectivos devanados trifásicos del motor 6 de seis fases.
El primer y segundo inversores 2, 4 trifásicos alimentados por voltaje toman la energía de CC de la primera y segunda fuentes 1, 3 de alimentación de CC y la convierten en CA de frecuencia variable, seis fases para el motor 6 y están configurados como dos inversores de tres fases, suministrados como módulos. Con los inversores modulares, se pueden configurar fácilmente dos módulos estándar para funcionamiento de seis fases o cuatro módulos estándar para funcionamiento de doce fases. En la presente realización, los límites de distorsión armónica total (THD) del 3 % se alcanzan con un funcionamiento de seis fases o, en otras palabras, de doce etapas. Los pares de módulos inversores funcionan con un desplazamiento de fase neto de 30° tal que los 5° y 7° componentes armónicos de voltaje se cancelan. El transformador 5 interfásico en zigzag está previsto para facilitar completamente esta cancelación. Los devanados del motor de seis fases también están desfasados del mismo modo que los respectivos puentes inversores. Esta disposición de circuito facilita el funcionamiento sin modulación de ancho de pulso (PWM) con transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) de conmutación relativamente lenta de 6500 V con una eficiencia del puente inversor de velocidad máxima del 99,4 % y una distorsión armónica total (THD) baja en una parte del intervalo de velocidad de funcionamiento del motor 6 de 2500 a 15000 RPM.
El primer inversor 2 trifásico alimentado por voltaje y el segundo inversor 4 trifásico alimentado por voltaje funcionan con un desplazamiento de fase de 30 grados en el voltaje de salida. El propósito principal del transformador 5 interfásico en zigzag es bloquear el 5° y 7° y todos los demás órdenes 6k+/-1, k impar, es decir, 5°, 7°, 17°, 19°, 29°, 31°, ..., de voltajes armónicos generados por el primer inversor 2 alimentado por voltaje trifásico y el segundo inversor 4 alimentado por voltaje trifásico desde el motor 6.
Haciendo referencia a la FIG. 3, se muestra un diagrama esquemático del accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad de múltiples niveles de la FIG. 2.
Se muestra un primer inversor 2 trifásico multinivel alimentado por voltaje y un segundo inversor 4 trifásico multinivel alimentado por voltaje, una(s) primera(s) fuente(s) 1 de alimentación de CC , una segunda fuente 3 de alimentación de CC , un transformador 5 interfásico , y Un motor 6 de seis fases.
La primera fuente 1 de alimentación de CC está acoplada al primer inversor 2 alimentado por voltaje trifásico, y la segunda fuente 3 de alimentación de CC está acoplada al segundo inversor 4 alimentado por voltaje trifásico. Las fuentes 1, 3 de alimentación de CC pueden acoplarse en paralelo o ser independientes dependiendo de las circunstancias de la fuente de alimentación, como lo indican las líneas 7 discontinuas .
El primer 2 inversor trifásico alimentado por voltaje y el segundo inversor 4 trifásico alimentado por voltaje, respectivamente, están acoplados al primer y segundo conjunto de terminales de entrada del primer y segundo circuitos separados del transformador 5 interfásico. Terminales de salida del transformador 5 interfásico está acoplado a los respectivos devanados trifásicos del motor 6 de seis fases. Cada devanado trifásico está desplazado en fase 30 grados con respecto a los adyacentes de los devanados trifásicos. Este desplazamiento de fase en el motor se consigue, por ejemplo, colocando cada devanado trifásico en la mitad de varias ranuras del estator de un motor y el otro devanado en las ranuras restantes. Si un motor de 4 polos y 6 fases tiene 48 ranuras, entonces 24 de las ranuras son para las fases ABC y las otras 24 son para DEF y hay dos bobinas por fase, por polo.
El primer inversor 2 trifásico alimentado por voltaje y el segundo inversor 4 trifásico alimentado por voltaje funcionan con un desplazamiento de fase de 30 grados en el voltaje de salida. El propósito principal del transformador 5 interfásico en zigzag es bloquear el 5° y 7° y todos los demás órdenes 6k+/-1, k impar, es decir, 5°, 7°, 17°, 19°, 29°, 31°, ...,de voltajes armónicos generados por el primer inversor 2 alimentado por voltaje trifásico y el segundo inversor 4 alimentado por voltaje trifásico desde el motor 6.
El presente accionamiento de velocidad se ilustra con una topología de tres niveles y 2x3 fases, tiene una potencia nominal máxima de 8 MW, una frecuencia máxima de 750 Hz y un voltaje máximo de 4.600 VCA. Esta realización se puede emplear industrialmente para aplicaciones que van desde 100 kW, 150000 RPM a 500 V CA hasta 50 MW, 5000 RPM a 13 800 V CA. En general, para aplicaciones industriales, la velocidad tiende a ser inversamente proporcional al nivel de potencia y al tamaño físico. Los motores pequeños no pueden funcionar a alto voltaje debido a las limitaciones del tamaño de las ranuras y al espesor del aislamiento. Los motores más grandes no pueden funcionar a bajos voltajes debido al tamaño físico de las conexiones entre el motor y el inversor. Estos niveles de potencia y voltaje son un ejemplo de lo que se logra fácilmente con los IGBT de silicio disponibles comercialmente. Se pueden lograr clasificaciones de voltaje más altas o bajas mediante la operación del dispositivo en serie o se pueden lograr clasificaciones de corriente más altas mediante la operación de un dispositivo o módulo en paralelo. Se pueden lograr beneficios similares si se emplean puentes inversores trifásicos con más de 3 niveles.
Haciendo referencia a continuación a la FIG. 4, se muestra un gráfico del voltaje línea a línea sobre el equivalente angular de un ciclo fundamental de 0 a 360 grados que muestra el voltaje línea a línea en una condición operativa nominal generada por el accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad de múltiples niveles de la FIG. 2.
Haciendo referencia a continuación a la FIG. 5, se muestra un diagrama esquemático de una configuración en zigzag de un transformador interfásico del accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad de múltiples niveles de la FIG. 2.
Como se muestra en el diagrama esquemático de la FIG. 5, la configuración en zigzag del transformador interfásico tiene 3 patas centrales y cada pata tiene tres devanados. Se observa que el terminal A está conectado a una bobina de 15 vueltas en la pata del medio y que esa bobina está conectada en serie con una bobina de 15 vueltas enrollada en sentido opuesto en la pata superior. La bobina de 15 vueltas enrollada en sentido opuesto de esa pata está conectada al terminal A'. Dado que esta primera bobina de 15 vueltas está en el lado con la bobina de 15 vueltas de fase E, el voltaje está en fase opuesta a la bobina de 15 vueltas de fase E, como lo ilustran los puntos negros en el símbolo de la bobina.
El terminal B está conectado a una bobina de 15 vueltas en la pata inferior y esa bobina está conectada en serie con una bobina de 15 vueltas enrollada en sentido opuesto en la pata del medio. La bobina de 15 vueltas enrollada en sentido opuesto de esa pata está conectada al terminal B'. Dado que esta primera bobina de 15 vueltas está en el lado con la bobina de fase F, el voltaje está en fase opuesta al devanado de fase F, como lo ilustran los puntos negros en el símbolo de la bobina.
El terminal C está conectado a una bobina de 15 vueltas en la pata superior y esa bobina está conectada en serie con una bobina de 15 vueltas enrollada en sentido opuesto en la pata inferior. La bobina de 15 vueltas de esa pata, enrollada en sentido opuesto, está conectada al terminal C'. Dado que esta primera bobina de 15 vueltas está en el lado con la bobina de fase D, el voltaje está en fase opuesta al devanado de fase D, como lo ilustran los puntos negros en el símbolo de la bobina.
La disposición anterior es un ejemplo de relación de vueltas de bobina de 26/15 = 1,7333; se puede demostrar que cualquier relación de vueltas que se aproxime mucho a 1,7321 es satisfactoria.
La FIG. 6 es un diagrama vectorial que ilustra corrientes de frecuencia fundamental equilibradas de cada inversor del accionamiento de velocidad ajustable de alto voltaje de múltiples niveles de la FIG. 2.
Como se muestra en el diagrama vectorial de la FIG. 6, con voltajes equilibrados y corrientes supuestas como se describió anteriormente para cada inversor, es decir, la fase D retrasa la fase A en 30 grados, los amperios-vueltas netos en la primera pata de la Fase D cancela los de la fase A y la fase B.
Además, la fase E cancela la fase B y la fase C; La fase F cancela la fase A y la fase C. Dado que estas fuerzas magnetomotrices (MMF) en la frecuencia fundamental se cancelan, el voltaje fundamental es esencialmente cero. Una relación de vueltas de 26/15 = 1,73333 coincide con la raíz cuadrada de tres dentro del 0,07%. Por lo tanto, con el inversor de seis fases y un motor de seis fases, la caída de voltaje en el transformador interfásico a la frecuencia fundamental es esencialmente cero.
Como se indicó anteriormente, el propósito principal del bloqueador de armónicos es cancelar una serie de voltajes armónicos comenzando con el 5° y el 7°, que pueden ser la causa predominante de pérdidas por armónicos en un motor accionado por inversor. Los voltajes armónicos 5° o 7° del inversor, dado el desplazamiento de fase de 30° a la frecuencia fundamental entre los dos grupos trifásicos, tendrán un desplazamiento de fase de 5 x 30 = 150° y 7 x 30 = 210° para el 5° y 7° armónicos y la secuencia de fases serán negativos y positivos, respectivamente.
Haciendo referencia a las FIGs. 7 y 8, se muestran diagramas fasoriales que ilustran los voltajes armónicos 5.° y 7.° y las secuencias de fase, positivas y negativas, respectivamente, generados por un bloqueador de armónicos del accionamiento de velocidad ajustable de alto voltaje de múltiples niveles de la FIG. 2.
Esta misma relación de fase se aplica a todos los armónicos "k impares". Las FIGS 7 y 8 muestran los diagramas fasoriales asociados con estos voltajes armónicos. Tenga en cuenta que con la relación de vueltas de 15/26 entre las bobinas DEF y las bobinas ABC individuales, la relación de fase entre los voltajes en los dos conjuntos de bobinas es idéntica a la de los voltajes armónicos generados por el inversor. Por tanto, la impedancia a los armónicos 5° y 7° es la alta impedancia magnetizadora del núcleo del transformador y, como consecuencia, las corrientes armónicas que llegan al motor se bloquean. Este dispositivo se conoce como "bloqueador de armónicos".
Para el caso de todos los armónicos de orden 6k+/-1, donde k es par, el transformador interfásico en zigzag tiene el mismo efecto que para el fundamental, el caso donde k=0, y 6k+/-1=+/-1 . Así, mientras que el 5° y el 7° están completamente eliminados, 11 °, 13 °, 23 °, 25 °, ... pasan a través del motor.
Haciendo referencia a la FIG. 9, se muestra un gráfico de los voltajes de línea a línea del motor durante un ciclo fundamental, después de que se aplica el bloqueador de armónicos con el voltaje de las FIGS 7 y 8 desde un inversor del accionamiento de velocidad ajustable de alto voltaje de múltiples niveles de la FIG. 2.
Tenga en cuenta que la forma de onda es más sinusoidal, lo que indica la eliminación de los armónicos "k impares", de los cuales el 5 ° y 7 ° son los componentes más grandes.
Así, el bloqueador de armónicos elimina voltajes armónicos con amplitudes de hasta 1/5° y 1/7° de la amplitud de la fundamental. Un motor típico de seis fases tendrá un acoplamiento mutuo entre las fases adyacentes del orden del 25% de la reactancia síncrona. La discusión anterior presenta impedancias en cantidades por unidad, donde 1,0 pu representa el voltaje nominal por fase/corriente nominal por fase. Si, por ejemplo, las reactancias síncronas, Xd, Xq, del motor son 0,5 pu, entonces la amplitud del peor de los casos del 5° y 7° armónico sería:
T„ ~ V „/(nX ) d
dónde:
Vn = voltaje armónico del inversor = 1,0 pu/n
In = pu amplitud del n ° armónico
X = reactancia
= suponga 0,5 pu para la reactancia síncrona y todos los componentes con k par, es decir 1° , 11°, 13°, 23°, 25°, ...
= suponga 0,35 pu por 5°, 7° 19°, 21°, ...Para algunos de los armónicos, las amplitudes pu son:
En la estimación anterior, el bloqueador de armónicos elimina el 84% de toda la distorsión armónica de la corriente. En el caso de la mayoría de los devanados de motores bobinados, los conductores de cada bobina están compuestos por una pila de hilos paralelos aislados. Debido al campo magnético que corta perpendicularmente a la pila de hilos paralelos aislados, el voltaje inducido causará pérdidas parásitas adicionales. La reducción de las corrientes armónicas en las proporciones descritas anteriormente reducirá esta parte de pérdidas al cuadrado de la distorsión armónica total o alrededor del 97%. Las pérdidas por proximidad y efecto piel, que aumentan con la frecuencia armónica, se reducirán en una cantidad aún mayor.
Una ventaja adicional de la presente realización es que la ondulación del par electromecánico (EM) se produce en el 12 ° armónica de la fundamental. En el caso de un motor de 4 polos y 15.000 RPM, esto significa que el par vibratorio electromagnético impartido al rotor es de 24 ° orden o alrededor de 6 kHz, muy por encima de la 1er frecuencia crítica del acoplamiento del eje entre el motor y la carga. En un ejemplo de sistema, la ondulación del par electromagnético es del 2% y el análisis de torsión muestra que la ondulación del par del acoplamiento es del orden del 0,18%, muy por debajo de la especificación típica del 1% que normalmente requiere la industria.
Los compresores centrífugos se beneficiarán enormemente de la aplicación de motores de alta velocidad accionados por el accionamiento de velocidad ajustable de la presente realización. La tecnología de sistemas y dispositivos de conmutación desarrollada originalmente para motores de baja velocidad y frecuencia tiene algunos obstáculos inherentes cuando se aplica a motores de alta velocidad y potencia. El sistema de motor y accionamiento de velocidad ajustable del inversor supera esos obstáculos en aplicaciones de alta velocidad. El sistema y método de acoplamiento magnético descrito elimina la presencia de un alto nivel de 5° y 7° distorsión armónica en la corriente del estator y pérdidas asociadas.
Haciendo referencia a la FIG. 10, se muestra un diagrama esquemático de una realización alternativa del transformador interfásico de la FIG. 5.
El medio electromagnético tiene 3 transformadores interfásicos, 8, 9, 10.... separados La fase A está conectada con la fase D en un núcleo, B con E en otro y C con F en otro más, cada par que está orientado de manera opuesta como mostrado por los puntos. Los medios electromagnéticos proporcionan un cambio de fase de 180° y, como consecuencia, proporcionan un cambio de fase neto de 210° y 150° a 6k /-1, k armónicos impares, respectivamente, y, como resultado, un grado comprometido de cancelación de armónicos.
Haciendo referencia a la FIG. 11, se muestra un diagrama esquemático de otra realización alternativa del transformador interfásico de la FIG. 5.
Haciendo referencia a la FIG. 12, se muestra un diagrama esquemático de una realización de nueve fases del transformador interfásico de la FIG. 5.
a) Los grupos de fases q se desplazan de manera que las fases A, B, C cada una adelantan las fases D, E, F, respectivamente en 20° y las fases G, H, I cada una retrasan las fases D, E, F en 20°, respectivamente. Dentro de cada grupo de tres fases, el desplazamiento de fase es de 120°.
b) Dicho medio electromagnético consta de tres núcleos de 3 patas como se muestra. La disposición de los devanados produce relaciones de vueltas:
NI =N3 x sin(40°) / sin(120°)
N2 =N3 x sin(20°) / sin(120°)
De modo que los componentes magnetizadores fundamentales de amperios-vuelta de las fases A, D y G combinados con los amperios-vueltas de las fases C y H, respectivamente, produzcan MMF iguales en cada pata. Dado que la trayectoria de retorno del flujo es en el aire, la magnetización del núcleo es mínima. Además, se puede demostrar que los componentes magnetizadores en cada pata debido a las fases anteriores en el 5°, 7°, 11° y 13° armónicos tienen un desplazamiento de fase de /-120°, como es normal en un núcleo trifásico. Como resultado, el núcleo es magnetizado por estas frecuencias armónicas y la inducción resultante bloquea los voltajes armónicos producidos por el inversor desde el motor de la misma manera que se muestra para el sistema inversor de 2q=6 fases, arriba.
Haciendo referencia en primer lugar a la FIG. 13, se muestra un diagrama de bloques de un accionamiento de velocidad ajustable de múltiples niveles y alta velocidad (> 3600 RPM) de acuerdo con una realización adicional de la invención.
Se muestra un primer inversor 1302 trifásico multinivel alimentado por voltaje y un segundo inversor 1304 trifásico multinivel alimentado por voltaje, un tercer inversor 1306 trifásico multinivel alimentado por voltaje y un cuarto inversor 1308 trifásico multinivel inversor alimentado por voltaje. También se muestra una primera fuente 1310 de alimentación de CC, una segunda fuente 1312 de alimentación de CC, una tercera fuente 1314 de alimentación de CC, una cuarta fuente 1316 de alimentación de CC, un primer transformador 1318 interfásico, un segundo transformador 1320 interfásico, y un motor 1322 de doce fases.
La primera fuente 1310 de alimentación de CC está acoplada al primer inversor 1302 trifásico alimentado por voltaje, la segunda fuente 1312 de alimentación de CC está acoplada al segundo inversor 1304 trifásico alimentado por voltaje, la tercera fuente 1314 de alimentación de CC está acoplada al tercer inversor 1306 trifásico alimentado por voltaje, y la cuarta 1316 fuente de alimentación de CC está acoplada al cuarto inversor 1308 alimentado por voltaje trifásico multinivel, trifásico.
El primer inversor 1302 trifásico alimentado por voltaje y el segundo inversor 1304 trifásico alimentado por voltaje, respectivamente, están acoplados al primer y segundo terminal de entrada del primer transformador 1318 interfásico. El tercer inversor 1306 trifásico alimentado por voltaje y el cuarto inversor 1308 trifásico alimentado por voltaje, respectivamente, están acoplados al primer y segundo terminal de entrada del segundo transformador 1320 interfásico. Los terminales de salida del primer transformador 1318 interfásico y el segundo transformador 1320 interfásico están acoplados a respectivos devanados trifásicos del motor 1322 de doce fases.
Las descripciones anteriores de las FIG. 1-12 representan realizaciones con q = 2, 3 y 4. Cabe señalar que para valores pares de q (2, 4, 6, ...) se pueden emplear los medios electromagnéticos anteriores para bloquear series de "k impar" de armónicos de la manera descrita anteriormente. Como se describió anteriormente, se pueden usar cuatro inversores para realizar un sistema de doce fases. En tal caso, el desplazamiento de fase entre grupos trifásicos en el motor y el inversor es de 15 grados. Con la disposición mostrada en el diagrama de bloques de la FIG 13, un medio electromagnético o "bloqueador de armónicos" se conecta a dos grupos trifásicos separados 30 grados y un segundo se conecta a dos inversores trifásicos desplazados 15 grados del otro grupo. Los 5 ° y 7 ° armónicos se cancelarán en la corriente del motor. Sin embargo, 11° y 13° armónicos no se cancelan, sino que son atenuados por la reactancia de fuga del motor hasta un nivel mínimo. Dado que estos armónicos se cancelarán en el estator del motor, se eliminan sus efectos sobre la ondulación del par y el calentamiento del rotor. Se puede demostrar que para cualquier valor par de q (2, 4, 6, 8, 10, ...) cancelación de todos los armónicos, excepto los de orden 6qn-1 y 6qn+1, donde n=cualquier número entero, ocurrirá en el estator. Por ejemplo, si q=6, sólo 35 °, 37 °, 71er, 73 °... habrá armónicos presentes en el espacio de aire y en los flujos del rotor.
En el caso de valores pares o impares de q, la técnica descrita anteriormente para q=3 se puede ampliar proporcionando cada uno de los tres núcleos separados con q patas y proporcionando devanados enlazados con relaciones de vueltas apropiadas. Por ejemplo, si q=5, entonces se necesitarán tres núcleos de 5 patas. Nuevamente, se puede hacer que este enfoque funcione con cualquier valor de q y todos los armónicos, excepto los de orden 6qn-1 y 6qn+1, donde n=cualquier número entero, se cancelarán.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un circuito de accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad y múltiples niveles que comprende:
una pluralidad de puentes inversores (2, 4; 1302, 1304, 1306, 1308) trifásicos multinivel modulares , , en donde los puentes inversores trifásicos multinivel modulares funcionan con frecuencia fundamental, f, en donde los puentes inversores trifásicos, multinivel modulares incluyen al menos tres niveles, en donde los puentes inversores trifásicos, modulares y multinivel funcionan en uno de los modos de modulación de ancho de pulso (PWM) con 9 a 21 veces la frecuencia fundamental y funcionan en el modo de frecuencia fundamental (FFM), en donde la frecuencia de conmutación (2, 4; 1302, 1304, 1306, 1308) del inversor es igual a la frecuencia fundamental, en donde los inversores (2, 4; 1302, 1304, 1306, 1308) modulares trifásicos multinivel funcionan con fase dividida de modo que un grupo se desplaza del otro en un ángulo 0, en donde 0 = 60°/q, en donde q es un número de grupos trifásicos, y en done cuando n es un número de orden armónico, el desplazamiento de fase de una componente armónica de orden n entre grupos, 0n es n0/q;
caracterizado por que el circuito de accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad de múltiples niveles comprende, además: un motor (6; 1322) polifásico de alta velocidad con fases dispuestas en q grupos trifásicos, en donde el motor (6; 1322) incluye q x 3 número de devanados; y
medios (5; 1318, 1320) electromagnéticos para bloquear grupos seleccionados de armónicos mientras pasan componentes a frecuencia fundamental, f, en donde los medios (5; 1318, 1320) electromagnéticos incluyen bobinas que transportan corriente de motor unidas por un núcleo magnético, en donde los medios (5; 1318, 1320) electromagnéticos se interponen entre la pluralidad de puentes inversores (2, 4; 1302, 1304, 1306, 1308) trifásico modular multinivel y el motor (6; 1322) polifásico de alta velocidad de manera que cada terminal de entrada de los medios (5; 1318, 1320) electromagnéticos está acoplado a una salida de la pluralidad de puentes inversores(2, 4; 1302, 1304, 1306, 1308) modulares trifásicos multinivel, y cada terminal de salida de los medios (5; 1318, 1320) electromagnéticos está acoplado directamente a un devanado del motor (6; 1322) polifásico de alta velocidad, en donde un número de terminales de salida de medios (5; 1318, 1320) electromagnéticos es igual a un número de medios ( 5; 1318, 1320) electromagnéticos de terminales de entrada.
2. El circuito de accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad y múltiples niveles de la reivindicación 1, en donde dichos medios (5) electromagnéticos presentan una primera impedancia mínima a las corrientes a la frecuencia fundamental, f, y a todos los componentes de frecuencia a f = 6k /-1, para k par, y presenta una segunda impedancia grande para todos los componentes de frecuencia en f=6k /-1, para k impar.
3. El circuito de accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad y múltiples niveles de la reivindicación 2, en donde dichos medios (5) electromagnéticos comprenden una pluralidad de bobinas acopladas por el núcleo magnético, en donde el núcleo magnético comprende 3 patas.
en donde una fase A comprende una combinación en serie de una primera de la pluralidad de bobinas y una segunda de la pluralidad de bobinas, en donde la primera de la pluralidad de bobinas está en una segunda de las patas, y la segunda de la pluralidad de bobinas está en una primera de las patas, en donde la primera de la pluralidad de bobinas está orientada de manera opuesta a la segunda de la pluralidad de bobinas,
en donde una fase B comprende una combinación en serie de un tercio de la pluralidad de bobinas y un cuarto de la pluralidad de bobinas, en donde el tercio de la pluralidad de bobinas está en un tercio de las patas, y el cuarto de la pluralidad de bobinas está en la segunda de las patas, en donde la tercera de la pluralidad de bobinas está orientada de manera opuesta a la cuarta de la pluralidad de bobinas,
en donde una fase C comprende una combinación en serie de una quinta de la pluralidad de bobinas y una sexta de la pluralidad de bobinas, en donde la quinta de la pluralidad de bobinas está en la primera de las patas, y la sexta de la pluralidad de bobinas está en la tercera de las patas, en donde la quinta de la pluralidad de bobinas está orientada de manera opuesta a la sexta de la pluralidad de bobinas,
en donde una fase D comprende una séptima de la pluralidad de bobinas, en donde la séptima de la pluralidad de bobinas está en la primera de las patas,
en donde una fase E comprende un octavo de la pluralidad de bobinas, en donde el octavo de la pluralidad de bobinas está en la segunda de las patas,
en donde una fase F comprende una novena de la pluralidad de bobinas, en donde la novena de la pluralidad de bobinas está en el tercio de las patas.
4. El circuito de accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad y múltiples niveles de la reivindicación 3, en donde las bobinas primera, tercera y quinta tienen cada una un número de vueltas N1, y las bobinas segunda, cuarta y sexta tienen cada una cantidad de vueltas N2.
5. El circuito de accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad y múltiples niveles de la reivindicación 4, en donde la fase D comprende además una décima parte de la pluralidad de bobinas en la tercera de las patas, en donde la décima bobina está conectada antes de la séptima bobina en serie y la décima bobina está conectada orientada de manera opuesta desde la séptima bobina,
en donde la fase E comprende además una undécima parte de la pluralidad de bobinas en la primera de las patas, en donde la undécima bobina está conectada antes de la octava bobina en serie y la undécima bobina está orientada de manera opuesta a la octava bobina,
en donde la fase F comprende además una duodécima parte de la pluralidad de bobinas en la segunda de las patas, en donde la duodécima bobina está conectada antes de la novena bobina en serie y la undécima bobina está orientada de manera opuesta a la octava bobina,
en donde las bobinas séptima, octava y novena tienen cada una el número de vueltas N2, y las bobinas décima, undécima y duodécima tienen cada una el número de vueltas N1.
6. El circuito de accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad y múltiples niveles de la reivindicación 2, que comprende, además:
dichos medios (5) electromagnéticos están dispuestos en tres grupos trifásicos: un primer grupo que comprende las fases A, B y C, un segundo grupo que comprende las fases D, E y F, y un tercer grupo que comprende las fases G, H y I. , en donde los tres grupos trifásicos se desplazan de manera que las fases A, B, C cada una adelantan las fases D, E, F en 20°, respectivamente, y las fases G, H, I cada una retrasan las fases D, E, F en 20° , respectivamente, en donde, dentro de las fases A, B, C, el desplazamiento de fase es de 120°, en donde, dentro de las fases D, E, F, el desplazamiento de fase es de 120°, y dentro de las fases G, H, I, el desplazamiento de fase es de 120°.
7. El circuito de accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad y múltiples niveles de la reivindicación 6, en donde dichos medios (5) electromagnéticos comprenden tres núcleos de 3 patas, en donde las fases A, B, C, G, H e I comprenden una primera bobina en una pata y una segunda bobina en serie en otra pata, en donde la primera bobina tiene un número de vueltas N1 y la segunda bobina tiene un número de vueltas N2, y en donde las fases D, E y F comprenden una única bobina en una pata con un número de vueltas N3, en el que una disposición de bobinas produce relaciones de vueltas:
NI =N3 x sin(40°) / sin(120°)
N2 =N3 x sin(20°) / sin(120°)
de tal manera que los componentes magnetizadores fundamentales de amperaje-vuelta de las fases A, D y G combinados con los componentes amperios-vuelta de las fases C y H, respectivamente, producen una fuerza magnetomotriz (MMF) igual en cada pata, en donde los componentes magnetizadores en cada pata debido a la fases anteriores en el 5°, 7°, 11° y 13° de los armónicos tienen un desplazamiento de fase de /- 120 grados, en donde el núcleo está magnetizado en la 5°, 7°, 11° y 13° frecuencias armónicas y la inducción resultante bloquea los voltajes armónicos producidos por la pluralidad de puentes inversores (2, 4) trifásicos modulares multinivel desde el motor (6) polifásico de alta velocidad.
8. El circuito de accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad y múltiples niveles de la reivindicación 1, en donde el número de grupos trifásicos q = 2 y dichos medios (5) electromagnéticos tienen una relación de vueltas de entre 1,730 y 1,7333.
9. El circuito de accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad y múltiples niveles de la reivindicación 8, en donde dichos medios (5) electromagnéticos tienen una relación de vueltas que se aproxima mucho a 1,7321.
10. El circuito de accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad y múltiples niveles de la reivindicación 1, en donde el número de grupos q = 2 trifásicos y dichos medios (5) electromagnéticos comprenden además otras bobinas acopladas por otro núcleo magnético, y bobinas adicionales acopladas por un núcleo magnético adicional, y una fase A está unida con una fase D en dicho núcleo, una fase B está unida con una fase E en el otro núcleo magnético, y una fase C está unida con una fase F en el otro núcleo magnético, la fase A y la fase D que está en orientación opuesta, la fase B y la fase E que están en orientación opuesta, y la fase C y la fase F que están en orientación opuesta en el que dichos medios (5) electromagnéticos proporcionan un cambio de fase de 180° y, como consecuencia, proporcionan un cambio de fase neto de 210° y 150° a 6k /-1, k armónicos impares, respectivamente, y, como resultado, un grado comprometido de cancelación armónica.
11. El circuito de accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad y múltiples niveles de la reivindicación 1, en donde dicha pluralidad de puentes inversores (1302, 1304, 1306, 1308) trifásicos, modulares y de múltiples niveles comprende:
un primer puente inversor (1302) trifásico, modular, multinivel;
un segundo puente inversor (1304) trifásico modular multinivel;
un tercer puente inversor (1306) trifásico modular multinivel; y
un cuarto puente modular multinivel inversor (1308) trifásico.
12. El circuito de accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad y múltiples niveles de la reivindicación 12, donde el número de grupos q = 3 trifásicos y el núcleo magnético comprende al menos tres patas, en donde una primera combinación en serie de una primera de las bobinas y una segunda de las bobinas están en una primera de las patas, en donde la primera de las bobinas está orientada de manera opuesta a la segunda de las bobinas, en donde una segunda combinación en serie de un tercio de las bobinas y una cuarta parte de las bobinas está en una segunda de las patas , en donde la tercera de las bobinas está orientada de manera opuesta a la cuarta de las bobinas, en donde una combinación en serie de una quinta de las bobinas y una sexta parte de las bobinas está en un tercio de las patas, en donde la quinta de las bobinas está orientada de manera opuesta desde la sexta de las bobinas.
13. El circuito de accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad y múltiples niveles de la reivindicación 1, en donde los medios (5) electromagnéticos incluyen bobinas que transportan corriente del motor unidas por un núcleo magnético, en donde el núcleo magnético comprende al menos nueve patas.
14. El circuito de accionamiento de velocidad ajustable de alta velocidad y múltiples niveles de la reivindicación 1, en donde dichos medios (1318, 1320) electromagnéticos incluyen un primer transformador (1318) interfásico.
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