DISPOSITIVO DE CONTROL DE UNA MÁQUINA ELÉCTRICA GIRATORIA POLIFÁSICA Y MÁQUINA ELÉCTRICA GIRATORIA SINCRONA POLIFÁSICA PROVISTA DE DICHO DISPOSITIVO.

Dispositivo de control de un convertidor de corriente eléctrica alterna-continua asociado a una máquina eléctrica giratoria síncrona polifásica que comprende un rotor y un estator provistos de una pluralidad de arrollamientos conectados entre sí en sus extremos,

en número igual al número de fases, estando dicho convertidor de corriente eléctrica alterna-continua dispuesto entre dicha máquina eléctrica giratoria síncrona polifásica y una unidad de almacenamiento de energía eléctrica continua que comprende unos bornes llamados positivo y negativo, comprendiendo dicho convertidor de corriente eléctrica alterna-continua, para cada fase, una rama de dos conmutadores de potencia en serie, llamados alto y bajo, dispuesta entre dichos bornes positivo y negativo, constituyendo el punto medio entre dos conmutadores de potencia, alto y bajo, unas entradas y/o unas salidas de dicho convertidor de corriente eléctrica alterna-continua y que están conectados a los llamados extremos de conexiones de dichos arrollamientos, comprendiendo el dispositivo de control medios de generación de una señal de salida que representa la posición angular de dicho rotor, caracterizado por el hecho de que comprende al menos una tabla numérica (20) que comprende una pluralidad de emplazamientos de memoria donde se almacenan unas palabras numéricas direccionadas por dicha señal de posición angular de rotor (θ(t)) y que suministra por su salida unas señales binarias de control (200 - 202) en número igual al número de dichas fases, controlando cada señal binaria de control (200 - 202) la conmutación de dichos conmutadores de potencia, altos y bajos (250H a 252B), según una secuencia temporal predeterminada en función del valor instantáneo de dicha señal de posición angular de rotor (θ(t)) que direcciona a dichas tablas numéricas (20)

La invención se refiere a un dispositivo de control para una máquina eléctrica giratoria síncrona polifásica.

La invención se refiere más especialmente a un dispositivo de control de un convertidor de corriente eléctrica alterna-continua asociado a una tal máquina eléctrica giratoria síncrona polifásica y dispuesto entre esta y una unidad de almacenamiento de energía eléctrica, que comprende una batería recargable.

Se aplica más especialmente a unas máquinas reversibles, llamadas alternador-motor de arranque, utilizadas en la industria automóvil, tanto en modo alternador como en modo motor en el arranque o como ayuda al despegue (en modo llamado "boost" ), típicamente a partir de 500 vueltas por minuto.

En el marco de la invención, el término "polifásico" se refiere más especialmente a máquinas eléctricas giratorias trifásicas o hexafásicas, y también puede referirse a máquinas eléctricas giratorias bifásicas o que funcionan con un número de fases más elevado.

Para fijar ideas, lo que se describe a continuación se sitúa en el contexto de la aplicación preferida de la invención, a saber el caso de una máquina eléctrica giratoria reversible trifásica del tipo alternador-motor de arranque, sin que ello limite en ningún caso el alcance de la invención.

Como es bien conocido, una máquina eléctrica giratoria reversible comprende un alternador que comprende:

- un rotor que constituye un inductor asociado clásicamente a dos anillos colectores y dos escobillas por las cuales se trae una corriente de excitación; y

- un estator polifásico que lleva varios devanados o arrollamientos, tres en el ejemplo de realización considerado, que constituyen un inducido, que están conectados en estrella, o la mayor parte del tiempo en triángulo en el caso de una estructura trifásica, y que suministran hacia un puente rectificador, en funcionamiento alternador, una potencia eléctrica convertida. La máquina comprende dos palieres, uno delantero y uno posterior, para fijarla al motor térmico y para fijar el estator. El estator envuelve al rotor. El rotor está soportado por un árbol a su vez soportado por los palieres delantero y trasero. Las escobillas están conectadas a un regulador del alternador para mantener la tensión del alternador a una tensión deseada para una batería según esté vacía o cargada.

El alternador permite transformar un movimiento de rotación del rotor inductor, accionado por el motor térmico del vehículo, en una corriente eléctrica inducida en los devanados del estator.

El alternador también puede ser reversible y constituir un motor eléctrico, o máquina eléctrica giratoria, que permite hacer girar, mediante el árbol de rotor, el motor térmico del vehículo. A este alternador reversible se le denomina alternador-motor de arranque o también alternador-motor de arranque. Permite transformar la energía mecánica en energía eléctrica y viceversa.

Así, en modo alternador, el alternador-motor de arranque carga, en especial, la batería del vehículo mientras que en un modo motor de arranque el alternador-motor de arranque acciona el motor térmico llamado también motor de combustión interna, del vehículo automóvil para su arranque.

En las máquinas reversibles de la industria automóvil, por ejemplo, que funcionan según los modos motor o motor de arranque, el estator debe ser controlado en corriente para aplicar en todo momento al rotor el par necesario para inducir la rotación requerida para el funcionamiento del motor. El par aplicado al rotor, y por lo tanto la corriente a suministrar a las fases del estator, es una función sinusoidal de la posición angular, indicada por un ángulo θ, del rotor con respecto al estator.

La figura 1, colocada al final de la presente descripción, ilustra esquemáticamente un sistema completo 1 de determinación de la posición angular θ(t) del rotor de un alternador-motor de arranque trifásico y de control de este elemento, ya sea en modo alternador, o en modo motor (motor de arranque).

El sistema 1 comprende cuatro sub-sistemas principales: un alternador-motor de arranque 10, un convertidor 11 de corriente eléctrica alterna-continua reversible, un módulo 13 de control de este convertidor y un módulo 12 de determinación de posición angular θ del rotor 100 (simbolizado por una flecha que gira alrededor de su eje de rotación Δ).

El convertidor 11 está generalmente constituido por un puente de rectificadores semi-conductores 110, que comprende tres ramas de dos transistores MOS-FET de potencia en serie, 1101 a 1103, que se denominarán a continuación, de manera arbitraria, "altos" y "bajos" una para cada fase. Una tal estructura es bien conocida del experto en la materia y es inútil describirla en lo que sigue. Los puntos medios de las ramas de salida, 1101 a 1103, constituyen las tres salidas del convertidor 11. Los extremos de las ramas, 1101 a 1103, están conectadas a las salidas positiva "+" y negativa '-" de un elemento de almacenamiento de energía eléctrica, por ejemplo una batería Bat, de la cual está provisto el vehículo (no representado en la figura 1).

En modo alternador, el alternador-motor de arranque 10 alimenta con corriente alterna trifásica al convertidor 11 por sus tres salidas, 101 a 103, que corresponden a las uniones entre los tres devanados que constituyen el estator 104 del alternador-motor de arranque 10. Este convierte la corriente alterna trifásica en corriente continua de tal manera que pueda (re)cargar la batería Bat. Esta a su vez alimenta a diversos elementos de este vehículo: electrónica de a bordo, climatización, faros, etc.

La figura 1A ilustra de manera más detallada la configuración del alternador-motor de arranque 10 de la figura

1. El estator 104 comprende tres arrollamientos, 1010 a 1030, en configuración de triángulo, cuyos vértices están conectados a las salidas 101 a 103.

En modo motor, es decir en modo motor de arranque, es el alternador-motor de arranque 10 el que es alimentado con energía eléctrica trifásica por el convertidor reversible 11, que funciona en modo generador de corriente trifásica.

En esta forma de realización de la invención relativa a una máquina eléctrica trifásica y por lo tanto un puente de transistores de tres ramas, los transistores MOSFET de las ramas, 1101 a 1103, son controlados según una secuencia apropiada de seis señales de control, SC1 a SC6, cualquiera que sea el modo considerado. Las seis señales de control, SC1 a SC6, son generadas por el módulo de control 13. Como es bien conocido también, estas señales, SC1 a SC6, deben ser generadas en sincronismo con la posición angular θ del rotor 100 que determina las fases relativas de las corrientes suministradas por las salidas, 101 a 103, del alternador-motor de arranque 10 (modo de funcionamiento alternador), o transmitidas a estas salidas (modo de funcionamiento motor de arranque).

Es necesario por ello determinar la posición angular θ del rotor 100 con una elevada precisión para obtener un funcionamiento correcto de los puentes rectificadores, 1101 a 1103, en especial para evitar cualquier riesgo de deterioro de los componentes semi-conductores, y también y sobre todo, en modo motor, o motor de arranque, un par optimizado suministrado por el alternador-motor de arranque 10.

Esa es la función asignada al módulo 12 de determinación de la posición angular del rotor 100, de tal manera que pueda generar una señal θ(t) que representa la variación instantánea de la posición angular medida y transmitirla a la entrada del módulo de control 13.

En el estado de la técnica conocido, se han propuesto diversos procesos con esta finalidad.

El Solicitante ha propuesto en especial en la solicitud de patente internacional WO 2006/010864 A2, un dispositivo y un procedimiento de determinación de la posición de un rotor de una máquina eléctrica giratoria que comprende un estator, que permite obtener la posición angular precisa deseada siendo a la vez poco costosa, de realización simple y poco sensible a las perturbaciones magnéticas.

El dispositivo mostrado en esta solicitud de patente comprende una pluralidad de sensores de campo magnético fijos con respecto al estator de la máquina eléctrica giratoria y capaces de suministrar una serie de primeras señales representativas... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo de control de un convertidor de corriente eléctrica alterna-continua asociado a una máquina eléctrica giratoria síncrona polifásica que comprende un rotor y un estator provistos de una pluralidad de arrollamientos conectados entre sí en sus extremos, en número igual al número de fases, estando dicho convertidor de corriente eléctrica alterna-continua dispuesto entre dicha máquina eléctrica giratoria síncrona polifásica y una unidad de almacenamiento de energía eléctrica continua que comprende unos bornes llamados positivo y negativo, comprendiendo dicho convertidor de corriente eléctrica alterna-continua, para cada fase, una rama de dos conmutadores de potencia en serie, llamados alto y bajo, dispuesta entre dichos bornes positivo y negativo, constituyendo el punto medio entre dos conmutadores de potencia, alto y bajo, unas entradas y/o unas salidas de dicho convertidor de corriente eléctrica alterna-continua y que están conectados a los llamados extremos de conexiones de dichos arrollamientos, comprendiendo el dispositivo de control medios de generación de una señal de salida que representa la posición angular de dicho rotor, caracterizado por el hecho de que comprende al menos una tabla numérica (20) que comprende una pluralidad de emplazamientos de memoria donde se almacenan unas palabras numéricas direccionadas por dicha señal de posición angular de rotor (θ(t)) y que suministra por su salida unas señales binarias de control (200 -202) en número igual al número de dichas fases, controlando cada señal binaria de control (200 -202) la conmutación de dichos conmutadores de potencia, altos y bajos (250H a 252B), según una secuencia temporal predeterminada en función del valor instantáneo de dicha señal de posición angular de rotor (θ(t)) que direcciona a dichas tablas numéricas (20).

2. Dispositivo de control según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que comprende una tabla numérica única (20) direccionada por dicha señal de posición angular de rotor (θ(t)) y una pluralidad de circuitos lógicos inversores (230 -232), en número igual al número de dichas fases, por el hecho de que cada una de dichas señales binarias de control (200 -202), llamado directo, es transmitida, por un lado, a la entrada de uno de dichos circuitos lógicos inversores (230 -232) para generar una señal binaria de control, llamada inversa, y, por otro lado, como señal de control de conmutación, a uno de los conmutadores de potencia, llamado alto (250H -252H), de una de dichas ramas de dicho convertidor de corriente eléctrica alterna-continua (11), y por el hecho de que dicha señal binaria de control inversa es transmitida como señal de control de conmutación, al conmutador de potencia, llamado bajo (250B -252B), de esta misma rama, para obtener un modo de funcionamiento llamado de “onda completa” (C180) de dichos conmutadores de potencia (250H a 252B), estando cada uno de estos conmutadores de potencia controlado en todo o nada, en alternancia durante dos semi-periodos enteros consecutivos.

3. Dispositivo de control según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que comprende unas tablas numéricas primera (20H) y segunda (20B), direccionadas ambas por dicha señal de posición angular de rotor (θ(t)) y que suministra por sus salidas el mismo número de dichas señales binarias de control (200H -202B), asociadas par pares, por el hecho de que cada una de dichas señales binarias de control (200H -202B) suministrada por dicha primera tabla numérica (20H) es transmitida como señal de control de conmutación a uno de los conmutadores, llamado alto (250H -252H), de una de dichas ramas, por el hecho de que dicha señal binaria de control (200B 202B) suministrada por dicha segunda tabla numérica (20B) que le está asociada es transmitida como señal de control de conmutación al conmutador de potencia, llamado bajo (250B -252B), de esta misma rama, para que dichos conmutadores de potencia (250H a 252B) sean controlados, en todo o nada, en alternancia durante una fracción determinada de semi-periodos consecutivos (C120) en función de una codificación particular de dichas palabras numéricas almacenadas en dichas tablas numéricas primera y segunda y obtener un modo de funcionamiento diferente de dicho modo "onda completa".

4. Dispositivo de control según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que comprende una tabla numérica única (20HB) direccionada por dicha señal de posición angular de rotor (θ(t)), por el hecho de que memoria única (20HB) suministrada a la salida de la primera (200H -202H) y de la segunda (200B -202B) serie de señales binarias de control en número igual al número de dichas fases y asociados par pares, por el hecho de que dichas señales binarias de control de cada uno de dichos pares (200H -202H, 200B -202B) son transmitidas como señales de control de conmutación a los llamados conmutadores de potencia, llamados altos y bajos (250H a 252B), de una misma rama, para que estos llamados conmutadores de potencia sean controlados en todo o nada, en alternancia, durante una fracción determinada de semi-periodos consecutivos (C120) en función de una codificación particular de dichas palabras numéricas almacenadas en dicha tabla numérica única y obtener un modo de funcionamiento diferente de dicho modo "onda completa".

5. Dispositivo de control según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que comprende una tabla numérica única (20) direccionada por dicha señal de posición angular de rotor (θ(t)), una pluralidad de circuitos lógicos "ET" (260 -262) y de circuitos inversores (230 -232), siendo el número de dichos circuitos igual al número de dichas fases, por el hecho de que de dichos circuitos lógicos "ET" (260 -262) recibe en una primera entrada una señal de control (2720) llamada de duración de impulsión en un primer estado lógico durante unos periodos de

tiempo determinados y en una segunda entrada una de dichas señales binarias de control (200 -202), de tal manera que pueda generar a la salida una señal de control binaria, llamada directa (2600 -2602), durante dichas duraciones de tiempo determinadas, por el hecho de que dicha señal de control directo es transmitida, por un lado, a la entrada de uno de dichos circuitos lógicos inversores (230 -232) para generar una señal binaria de control, llamada inversa, y, por otro lado, como señal de control de conmutación a uno de los conmutadores de potencia, llamado alto (250H 252H), de una de dichas ramas de dicho convertidor de corriente eléctrica alterna-continua (11), y por el hecho de que dicha señal binaria de control inversa es transmitida como señal de control de conmutación al conmutador de potencia, llamado bajo (250B -252B), de esta misma rama, para que estos llamados conmutadores de potencia (250H a 252B) sean controlados en todo o nada, en alternancia, durante unas fracciones determinadas de semi-periodos consecutivos, funciones de dichas duraciones de tiempo determinadas impuestas por dicha señal de control de duración de impulsión (2720) y obtener un modo de funcionamiento llamado de modulación de duración de impulsión.

6. Dispositivo de control según la reivindicación 5, caracterizado por el hecho de que comprende un circuito de generación de dicha señal de control de duración de impulsión (27) que comprende unos circuitos de reloj (271) que suministran señales en dientes de sierra de frecuencia determinada, un circuito de control (270) que suministra una señal de control de relación cíclica (2700) y un circuito umbral (272) que suministra por su salida dicha señal de control de duración de impulsión (2720), a un primer estado lógico cuando dicha señal de control de relación cíclica (2700) alcanza un umbral determinado y a un segundo estado lógico por debajo de este umbral, y por el hecho de que dicha señal de control de duración de impulsión (2720) permite la generación de dichas señales de control directo por dichos circuitos lógicos "ET" (260 -262) cuando está en el llamado primer estado lógico.

7. Dispositivo de control según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que comprende unas tablas numéricas primera (20H) y una segunda (20B), direccionadas ambas por dicha señal de posición angular de rotor (θ(t)) y que suministran por sus salidas el mismo número de señales binarias de control (200H -202H, 200B -202B), en número igual al número de dichas fases y asociados par pares, por el hecho de que comprende una pluralidad de circuitos lógicos inversores (230 -232) y una pluralidad de primeros conmutadores de dos vías (K1), en número igual al número de dichas fases, que comprende cada una dos entradas de señales, llamadas superior e inferior, y una entrada de control para dirigir selectivamente dichas señales de entrada hacia una salida única, por el hecho de que comprende una pluralidad de circuitos lógicos inversores (230 -232), en número igual al número de dichas fases, por el hecho de que cada una de dichas señales binarias de control, llamado directo, es transmitida, por un lado, a la entrada de uno de dichos circuitos lógicos inversores (230 -232) para generar una señal binaria de control, llamada inversa, y, por otro lado, como señal de control de conmutación, a uno de los conmutadores de potencia, llamado alto (250H -252H), de una de dichas ramas de dicho convertidor de corriente eléctrica alterna-continua (11), por el hecho de que cada una de dichas señales de control binarias inversas es transmitida a dicha entrada superior de uno de dichos primeros conmutadores de dos vías (K1) y cada una de las señales binarias de control suministrada por la segunda tabla numérica (20B) es transmitida a la entrada llamada inferior del mismo primer conmutador de dos vías (K1), y por el hecho de que comprende medios de control de función (3) para la generación de una señal de control de modo de funcionamiento (31) transmitida a las llamadas entradas de control de dichos primeros conmutadores de dos vías (K1) para dirigir a la salida, cuando dicha señal de control de modo de funcionamiento está en un primer estado lógico, dichas señales binarias de control inversas como señales de control de conmutación de dichos conmutadores de potencia bajo (250B -252B), para obtener dicho modo de funcionamiento de "onda completa" de dichos conmutadores de potencia (250H a 252B), estando cada uno de estos conmutadores de potencia controlado en todo o nada, en alternancia durante dos semi-periodos enteros consecutivas (C180), y, cuando dicha señal de control de modo de funcionamiento está en un segundo estado lógico, dichas señales binarias de control suministradas por la segunda tabla numérica (20B), como señales de control de conmutación de dichos conmutadores de potencia bajo (250B à 252B), para que dichos conmutadores de potencia, altos y bajos (250H a 252B), sean controlados, en todo o nada, en alternancia durante una fracción determinada de semi-periodos consecutivos (C120) en función de una codificación particular de dichas palabras numéricas almacenadas en dichas tablas numéricas primera y segunda y obtener un modo de funcionamiento diferente de dicho modo de funcionamiento de "onda completa".

8. Dispositivo de control según la reivindicación 7, caracterizado por el hecho de que comprende una pluralidad de segundos (K3) y una pluralidad de terceros (K4) conmutadores de dos vías, en número igual al número de dichas fases, que comprende cada uno dos entradas de señales, llamadas superior e inferior, y una entrada de control para dirigir selectivamente dichas señales de entrada hacia una salida única, por el hecho de que dichos segundos conmutadores de dos vías (K3) reciben cada uno en su entrada llamada superior una de dichas señales binarias de control (200H -202H) suministradas por dicha primera tabla numérica (20H), por el hecho de que dichos terceros conmutadores de dos vías (K4) reciben cada uno en su entrada llamada superior una de dichas señales binarias de control presentes en las salidas de dichos primeros conmutadores de dos vías (K1), y por el hecho de que dichos medios de control de función (3) generan a la salida una señal binaria suplementaria (33) que adopta dos estados

lógicos, llamados "MARCHA/PARO", respectivamente, que permiten la transmisión a los llamados conmutadores de potencia, altos y bajos (250H a 252B), de las señales binarias de control (200H -202H) suministradas por dicha primera tabla numérica (20H) y presentes en las salidas de dichos primeros conmutadores de dos vías (K1), cuando está en el llamado primer estado, y las bloquea cuando está en el llamado segundo estado.

9. Dispositivo de control según la reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que comprende medios de memorización en dos posiciones binarias (7), llamados estados lógicos "1" y "0", por el hecho de que comprende una pluralidad de cuartos conmutadores de dos vías (K2), en número igual al número de dichas fases, que comprende dos entradas de señales, llamadas superior e inferior, y una entrada de control para dirigir selectivamente dichas señales de entrada hacia una salida única, permitiendo dichos medios de memorización en dos posiciones binarias (7) y dicha pluralidad de cuartos conmutadores de dos vías (K2), en función de estados lógicos de señales dedicadas de control de modo (32, 33), un modo de corto-circuito de devanados de estator o un modo de desconexión de dichos devanados de estator.

10. Dispositivo de control según la reivindicación 7, caracterizado por el hecho de que comprende medios (6) de modificación de la fase de dicha señal de posición angular de rotor (θ(t)), por el hecho de que dichos medios de control de función (3) generan una señal suplementaria (30) llamada de avance de fase, por el hecho de que dichos medios de modificación de fase (6) reciben en una primera entrada dicha señal de avance de fase (30) y en una segunda entrada la señal de salida (50) de dichos medios de generación (5) de una señal que representa la posición angular de dicho rotor, para generar por su salida una señal de posición angular de rotor (60) cuya fase está modificada en función del valor de dicha señal de avance de fase (30).

11. Dispositivo de control según la reivindicación 10, caracterizado por el hecho de que siendo dicha señal de avance de fase (30) y dicha señal de posición angular de rotor (50) numéricas, consistiendo dichos medios de modificación de fase en un sumador numérico (6) de dos entradas por las cuales son transmitidas dichas señales (30, 50).

12. Dispositivo de control según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que la salida de dichos medios de generación de una señal que representa la posición angular de dicho rotor está conectada a la entrada de unos medios de filtrado por histéresis (22) y por el hecho de que la salida de estos llamados medios de filtrado por histéresis genera una señal que representa la posición angular de rotor filtrada (θ(t)) utilizada para direccionar dichas tablas numéricas.

13. Dispositivo de control según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que dichas tablas numéricas (20) son unas memorias se lectura solamente del tipo llamada "R.O.M.", que comprende un número determinado de salidas que suministra las mencionadas señales binarias de control.

14. Dispositivo de control según la reivindicación 13, caracterizado por el hecho de que dichas memorias (20) comprenden ocho salidas que suministran unas señales binarias de control.

15. Dispositivo de control según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que dicha máquina eléctrica giratoria síncrona polifásica es un alternador-motor de arranque (10).

16. Dispositivo de control según la reivindicación 15, caracterizado por el hecho de que dicho convertidor de corriente eléctrica alterna-continua es un convertidor de corriente eléctrica alterna-continua reversible (11).

17. Dispositivo de control según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que dichos conmutadores de potencia de dicho convertidor de corriente eléctrica alterna-continua son unos transistores MOS-FET de potencia (110).

18. Dispositivo de control según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que dicha máquina eléctrica giratoria síncrona polifásica (10) es una máquina trifásica.

19. Máquina eléctrica giratoria polifásica (10) que comprende un rotor (100) y un estator (104) caracterizada por el hecho de que comprende un dispositivo de control de un convertidor de corriente eléctrica alterna-continua (11) asociado a una tal máquina eléctrica giratoria síncrona polifásica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.