Dispositivo de control para convertidor de corriente eléctrica alterna-continua y su procedimiento de implementación.

Dispositivo de control (10) de un convertidor de corriente eléctrica alterna-continua (8) dispuesto entre,

por un lado una máquina eléctrica giratoria síncrona polifásica que comprende un estator (4) y un rotor (6) y por otro lado una unidad de almacenamiento de energía eléctrica continua (14), estando dicho dispositivo de control adaptado para proporcionar una señal de control (SC) a unos conmutadores de potencia (16) de dicho convertidor, caracterizado por que incluye en serie un microcontrolador (20), adaptado para proporcionar al menos un registro representativo de un valor del ángulo de apertura (30) que corresponde al periodo de funcionamiento de cada conmutador de potencia, y un módulo de control (26) que comprende un registro que da el ángulo entre fases y unos bloques de control (38) en un número igual al número de fases de dicha máquina, a los que se dirigen respectivamente dicho valor de ángulo de apertura y un valor representativo (37) de la posición angular del rotor con respecto al estator, y que están adaptados para proporcionar en la salida una información representativa del control a aplicar a dichos conmutadores de potencia en el caso de un funcionamiento denominado de onda completa (42) así como un valor de máscara (44) calculado en dichos bloques de control (38) que es función de un ángulo de apertura determinado, estando dicha información y dicho valor de máscara adaptados para combinarse para proporcionar dicha señal de control a dichos conmutadores de potencia adaptada a un funcionamiento de onda completa o de onda reducida según el valor de la máscara.

Dispositivo de control para convertidor de corriente eléctrica alterna-continua y su procedimiento de implementación La invención se refiere a un dispositivo de control para convertidor de corriente eléctrica alterna-continua y su procedimiento de implementación, más particularmente en el marco de una aplicación en la que un convertidor de corriente de ese tipo se asocia a una máquina eléctrica giratoria síncrona polifásica disponiéndose entre ésta y una unidad de almacenamiento de energía eléctrica, que comprende una batería recargable.

La invención se aplica más particularmente a unas máquinas reversibles polifásicas, denominados alternoarrancadores, que se utilizan en la industria automóvil.

En el marco de la invención, el término "polifásica" se refiere más particularmente a unas máquinas eléctricas giratorias trifásicas o hexafásicas, pero puede referirse también a unas máquinas eléctricas giratorias bifásicas o que funcionen bajo un número de fases más elevado.

Como es bien conocido, un alterno-arrancador incluye un rotor que constituye un inductor y un estator polifásico que lleva varias bobinas o arrollamientos que constituyen un inducido y que intercambian, con un convertidor alterna/continua reversible que incluye una serie de transistores, una potencia eléctrica, estando conectado este convertidor a una batería recargable. El estator se fija a la estructura del vehículo y rodea al rotor que es arrastrado por un árbol.

El alterno-arrancador puede funcionar indiferentemente, según el modo elegido por la electrónica del vehículo, en un modo alternador o en un modo arrancador/motor eléctrico. En el modo motor eléctrico, el alterno-arrancador puede asegurar el arranque del vehículo o aportar una ayuda al lanzamiento del motor térmico, es decir una asistencia de par temporal por ejemplo durante una aceleración.

Los alterno-arrancadores encuentran particularmente su aplicación en unos sistemas de parada y recuperación del motor de un vehículo automóvil.

En tanto el motor no esté parado, el alterno-arrancador funciona en modo alternador en el que permite, a través del convertidor alterna/continua reversible que incluye unos transistores para cada una de las fases de la máquina eléctrica, cargar la batería del vehículo y/o cualquier otra unidad de almacenamiento de energía mediante una tensión continua rectificada. En este modo alternador, el alterno-arrancador permite transformar un movimiento de rotación del rotor inductor, cuyo árbol es arrastrado en rotación por el motor térmico del vehículo por medio de una correa del alternador, en una corriente eléctrica inducida en los bobinados del estator. El convertidor alterna/continua reversible permite por lo tanto generar una tensión continua para alimentar con energía eléctrica una red de equipos eléctricos así como la batería y/o una unidad de almacenamiento de energía.

Cuando el motor debe ser arrancado de nuevo por el sistema de parada y recuperación, el alterno-arrancador funciona en modo arrancador. Se alimenta el estator del alterno-arrancador con las tensiones polifásicas generadas por el convertidor de corriente antes mencionado alimentado por la batería del vehículo y/o por la unidad de almacenamiento de energía. En este modo arrancador, el alterno-arrancador constituye un motor eléctrico que permite arrastrar en rotación, a través del árbol del rotor y de la correa del alternador, al motor térmico del vehículo.

Se utiliza la energía acumulada en la batería para alimentar de corriente al estator con el fin de inducir un movimiento en el rotor. El par a aplicar al rotor, y por tanto la corriente a suministrar a las fases del estator, es una función sinusoidal de la posición angular, señalizada por un ángulo , del rotor con respecto al estator.

De manera conocida, se destina un dispositivo de control a elaborar una serie de señales de control y a transmitirlas 50 a los transistores del convertidor de corriente eléctrica alterna-continua reversible para la aplicación de ese par.

Se conoce por el documento FR 2 932 330 un dispositivo de control de un convertidor de corriente eléctrica en el que una tabla digital consta de una pluralidad de emplazamientos de memoria que almacena unas palabras digitales que suministran a la salida unas salidas binarias de control con un número de bits igual al número de fases para 55 controlar la conmutación de los conmutadores de potencia del convertidor. Se puede adaptar rápidamente el dispositivo de control a tal o cual máquina polifásica al número de fases diferentes, pero es conveniente para ello cambiar la tabla digital con cada nueva máquina polifásica, puesto que este tipo de dispositivo presenta el inconveniente de fijar en una memoria no volátil (ROM) el control de los transistores del convertidor.

Una tabla corresponde por ello a un tipo de máquina únicamente. Se podrá adaptar para el número de fases variable previendo una gran tabla digital y utilizar el número de bits de salida de esta tabla que se necesiten para adecuarse al número de fases de la máquina. Pero esta solución no permite adaptarse a las otras variables de una máquina a otra, como un orden de fases diferente o un valor del ángulo de apertura, es decir el período durante el que son solicitados los conmutadores de potencia, que es variable.

Por un lado, se detecta la necesidad de poder modificar a voluntad la configuración de las señales, de manera muy flexible, sin incrementar significativamente el coste y la complejidad de los circuitos del dispositivo de control, particularmente para poder pasar de un funcionamiento denominado "de onda completa", en el que los transistores del convertidor trabajan en un período completo de 180º (se habla entonces de ángulo de apertura de 180º) , a otro de funcionamiento con un ángulo de apertura reducido, sin que sea necesario para ello modificar sustancialmente los circuitos que constituyen este dispositivo de control, incluso tener que cambiarlos completamente sustituyendo por ejemplo una tarjeta completa de circuitos electrónicos por otra. Un control de onda completa sistemático no es necesario siempre puesto que la corriente que es aplanada por la inductancia del circuito es sinusoidal y porque no sirve de nada suministrar una tensión máxima en el conjunto de un periodo dado. Se busca trabajar en unas zonas de apertura más pequeñas, a título de ejemplo de 120º en lugar de 180º. El objetivo es encontrar un ángulo óptimo para optimizar el par y por ello demandar menos de la batería. Esto necesita en el estado de la técnica conocido prever dos tablas diferentes, una primera tabla consagrada a la elaboración de los controles con un ángulo de apertura máximo de 180º y una segunda tabla consagrada a la elaboración de los controles con un ángulo de apertura más pequeño, determinado por adelantado. Deberán asociarse otras tantas tablas para tener en cuenta tantos ángulos de apertura determinados por adelantado.

Por otro lado, como se ha recordado, en el marco de la invención el término "polifásica" se refiere indiferentemente a unas máquinas bifásicas, trifásicas, hexafásicas, de manera más general que funcionen con un número de fases igual a n (siendo un entero superior a 1) . Se detecta igualmente la necesidad de poder acomodar estas máquinas diversas cualquiera que sea el número n de fases, sin tener que sustituir físicamente tal o cual componente para adaptarlas a tal o cual tipo de máquina. Si el número de fases puede variar, un orden de fases fijo ya no es deseable puesto que las máquinas controladas pueden tener el número y el orden de fases variable. Si el número de fases máximo puede estar cubierto por la previsión de una tabla que comprende un número de bits superior al número de fases, parece demasiado engorroso prever en una o varias tablas todas las combinaciones posibles de órdenes de fases si la máquina es por ejemplo hexafásica.

En este contexto, la invención viene a mejorar los dispositivos de control de convertidores de corriente, particularmente en el marco de aplicación en automóviles a unos alterno-arrancadores, proponiendo un dispositivo de control asociado a una máquina eléctrica giratoria polifásica que sea simple y poco costoso de implementar, principalmente porque sea particularmente adaptable a los diferentes tipos de máquinas eléctricas.

Para realizar esto, según una primera característica importante, el dispositivo de control del convertidor de corriente eléctrica alterna-continua incluye un microcontrolador y un módulo de control en serie, incluyendo el módulo de control unos bloques de control en un número igual al número de fases de la máquina eléctrica, que son seleccionados respectivamente... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo de control (10) de un convertidor de corriente eléctrica alterna-continua (8) dispuesto entre, por un lado una máquina eléctrica giratoria síncrona polifásica que comprende un estator (4) y un rotor (6) y por otro lado una unidad de almacenamiento de energía eléctrica continua (14) , estando dicho dispositivo de control adaptado para proporcionar una señal de control (SC) a unos conmutadores de potencia (16) de dicho convertidor, caracterizado por que incluye en serie un microcontrolador (20) , adaptado para proporcionar al menos un registro representativo de un valor del ángulo de apertura (30) que corresponde al periodo de funcionamiento de cada conmutador de potencia, y un módulo de control (26) que comprende un registro que da el ángulo entre fases y unos bloques de control (38) en un número igual al número de fases de dicha máquina, a los que se dirigen respectivamente dicho valor de ángulo de apertura y un valor representativo (37) de la posición angular del rotor con respecto al estator, y que están adaptados para proporcionar en la salida una información representativa del control a aplicar a dichos conmutadores de potencia en el caso de un funcionamiento denominado de onda completa (42) así como un valor de máscara (44) calculado en dichos bloques de control (38) que es función de un ángulo de apertura determinado, estando dicha información y dicho valor de máscara adaptados para combinarse para proporcionar dicha señal de control a dichos conmutadores de potencia adaptada a un funcionamiento de onda completa o de onda reducida según el valor de la máscara.

2. Dispositivo de control según la reivindicación 1, caracterizado por que dicho valor del ángulo de apertura (30) es un valor dinámico, adaptado para modificarse en el registro del microcontrolador (20) en función de unos parámetros de funcionamiento de la máquina eléctrica giratoria.

3. Dispositivo de control según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que el bloque de control (38) incluye un comparador (46) adaptado para comparar dicho valor representativo de la posición angular con un valor umbral (45) , obtenido a partir del valor del ángulo de apertura (30) inicialmente proporcionado por el microcontrolador (20) en un registro de n bits, y por que la comparación realizada por dicho comparador se hace sobre n-2 bits.

4. Dispositivo de control según la reivindicación 3, caracterizado por que el comparador (46) se direcciona mediante n-2 bits del valor representativo de dicha posición angular (37) y por n-2 bits del valor umbral (45) , y proporciona en la salida una señal hacia una puerta lógica O exclusiva (50) , recibiendo igualmente dicha puerta en la entrada, un bit del valor representativo de dicha posición angular (37) , distinto a aquellos recibidos por el comparador con el fin de proporcionar dicho valor de máscara (44) , mientras que el valor de onda completa (42) se obtiene directamente por un bit del valor representativo de dicha posición angular (37) , distinto a los bits recibidos por el comparador y distinto al bit recibido por dicha puerta O exclusivo.

5. Dispositivo de control según la reivindicación 2, caracterizado por que dicho valor umbral (45) se obtiene a partir de dicho valor del ángulo de apertura (30) mediante una sucesión de puertas lógicas que forman un sumador digital simplificado (48) .

6. Dispositivo de control según la reivindicación 5, caracterizado por que dicho valor umbral (45) se calcula según la siguiente fórmula:

Umbral = ( (Apert bn-2) + bn-2

en la que Umbral: el valor del umbral (45) Apert: el valor del ángulo de apertura (30) bn-2 un bit del valor representativo de la posición angular (37) : la O exclusiva lógica +: la Y lógica.

7. Dispositivo de control según la reivindicación 6, caracterizado por que el valor de máscara se obtiene según la siguiente fórmula:

Máscara = bn-2 ([b0 bn-3] Umbral) +

en la que Umbral: el valor del umbral (45) Máscara: el valor de la máscara (44) b0 bn-3 : bits del valor representativo de la posición angular (37) : la O exclusiva lógica : el comparador lógico.

8. Dispositivo de control según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que el módulo de control (26) incluye además un bloque de lógica combinatoria (40) a la salida de cada uno de los bloques de control (38) que incluye unas puertas lógicas "Y" y unos inversores de manera que se combine dicha información de onda completa

(42) y dicho valor de máscara (44) para proporcionar dicha señal de control (SC) a dichos conmutadores de potencia.

9. Dispositivo de control según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que incluye además un módulo de cálculo del orden de fases (24) , adaptado para proporcionar en la salida dicho valor representativo de la posición angular del rotor (37) direccionada a dicho módulo de control (26) , y en el que unos sumadores (36) , en un número igual al número de fases, reciben respectivamente del microcontrolador (20) un valor de desviación de fase (28) que se suma al valor ajustado (35) de la posición angular del rotor con respecto al estator.

10. Dispositivo según la reivindicación 9, caracterizado por que incluye un módulo de ajuste angular (22) dispuesto entre el módulo de cálculo del orden de fases (24) y el microcontrolador (20) y en el que se adapta un sumador (34) para proporcionar en la salida dicho valor ajustado (35) de la posición angular del rotor con respecto al estator siendo direccionado por un lado por la señal medida ( (t) ) representativa de la posición del rotor con respecto al estator procedente de un módulo de determinación de la posición angular (12) y por otro lado por un ángulo de desfase variable (32) procedente del microcontrolador (20) .

11. Alterno-arrancador para vehículos automóviles que incluye un convertidor de corriente eléctrica alterna-continua (8) asociado a una máquina eléctrica giratoria síncrona polifásica que comprende un estator (4) y un rotor (6) que comprende una pluralidad de arrollamientos conectados entre sí en sus extremos, en un número igual al número de 20 fases, disponiéndose dicho convertidor de corriente eléctrica alterna-continua entre dicha máquina eléctrica giratoria síncrona polifásica y una unidad de almacenamiento de energía eléctrica continua que incluye unos bornes denominados positivo y negativo (14) , comprendiendo dicho convertidor de corriente eléctrica alterna-continua, para cada fase, una rama de dos conmutadores de potencia (16) en serie, denominados alto y bajo, dispuestos entre dichos bornes positivo y negativo, constituyendo el punto medio (18) entre los dos conmutadores de potencia, alto y bajo, una entrada y/o una salida de dicho convertidor de corriente eléctrica alterna continua estando conectado a dichos extremos de las conexiones de dichos arrollamientos, caracterizado por que comprende un dispositivo de control (10) del convertidor de corriente según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 10, adaptado para proporcionar en la salida dos señales de control (SC) respectivamente destinadas a dichos conmutadores de potencia de una misma rama del convertidor (8) .