Dispositivo de control de carga para controlar la velocidad de un motor de CA (108) para ser alimentado por una tensión suministrada por una fuente de alimentación de CA (104);

dicho dispositivo de control de carga incluye: un primer condensador (112) y un segundo condensador (122), cada uno de los cuales primer y segundo condensador está adaptado para ser acoplado en conexión eléctrica en serie entre la fuente de alimentación de CA (104) y el motor de CA (108); un primer conmutador conductor controlablemente (110) acoplado en conexión eléctrica en serie con el primer condensador; y un segundo conmutador conductor controlablemente (120) acoplado en conexión eléctrica en serie con el segundo condensador; y un circuito de control (140) que puede operarse para controlar el primer y el segundo conmutador conductores controlablemente y que proporcionen una serie de velocidades diferenciadas en el motor de CA (108); caracterizado porque el circuito de control puede operarse para cambiar la velocidad del motor de CA haciendo no conductores aquellos conmutadores que en ese momento son conductores; haciendo conductor al primer conmutador (110) en el primer cruce por cero de la tensión de suministro de CA, para permitir que el primer condensador (112) se cargue hasta una tensión predeterminada; haciendo no conductor al primer conmutador (110) cuando el primer condensador (112) se ha cargado hasta la primera tensión predeterminada; haciendo conductor al segundo conmutador (120) en el segundo cruce por cero de la tensión de suministro de CA, para permitir que el segundo condensador (122) se cargue hasta una segunda tensión predeterminada; haciendo no conductor al segundo conmutador (120) cuando el segundo condensador (122) se ha cargado hasta la segunda tensión predeterminada; y haciendo conductores al primer (110) y al segundo (120) conmutador en un período predeterminado después de un tercer cruce por cero de la tensión de suministro de CA, si la diferencia de tensión entre la primera y la segunda tensión está por debajo de un valor tal que no se generan grandes corrientes en circulación a través de los condensadores cuando están conectados en paralelo

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Solicitudes relacionadas

La presente solicitud reivindica prioridad de la solicitud de patente provisional de EE.UU. con el nº de serie 60/738.017, transferida legalmente, presentada el 18 de noviembre del 2005 y con el mismo título que la presente 5 invención.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a dispositivos de control de carga para suministrar energía eléctrica variable a cargas de corriente alterna (CA), por ejemplo cargas de motor, tales como motores para ventiladores de CA. La invención se refiere, más en concreto, al control de la velocidad en un ventilador silencioso, específicamente, para el 10 rápido control de la velocidad de un ventilador de refrigeración instalado en el techo, a la vez que se minimiza la producción de ruido acústico.

Descripción de la técnica relacionada

Un problema que tienen las técnicas que se conocen para controlar la velocidad en los motores de un ventilador radica en que algunos procedimientos producen una importante cantidad de ruido acústico en el motor del 15 ventilador y el control de la velocidad del ventilador, es decir, el dispositivo de control que maneja el motor del ventilador. La fig. 1A muestra un control variable de velocidad en un ventilador del estado de la técnica anterior. El control de velocidad del ventilador 10 está acoplado entre la fuente de alimentación 16 y el motor del ventilador 18. El motor del ventilador 18 es un modelo de inductor en serie con un resistor. El motor de un ventilador de techo típico tiene una gran componente resistiva, que hace que el motor del ventilador 18 generalmente parezca resistivo al control de velocidad 20 del ventilador 10.

Un circuito de control 14 controla un conmutador conductor controlablemente 12, el cual incluye típicamente un conmutador semiconductor bidireccional como pueda ser un triac, para cambiar el ángulo de fase en el cual el triac comienza a conducir cada semiciclo de la fuente de alimentación de CA, proporcionando con ello un control variable de la velocidad. Como es sabido por los especialistas en la materia, controlando el ángulo de fase en el cual el triac 25 comienza a conducir (en decir, el periodo de conducción del triac para cada semiciclo de la fuente de alimentación de CA), se puede controlar la cantidad de energía que se suministra al motor del ventilador 18 y por tanto la velocidad del motor del ventilador.

El problema que tiene el control de velocidad del ventilador de la técnica anterior 10 es que si se controla el motor del ventilador 18 mediante la técnica de ángulo de fase, en el motor del ventilador se generan ruidos mecánicos y 30 acústicos, lo cual puede ser pesado y molesto. La fig. 1B muestra las formas de onda de la tensión de entrada de CA 19A, la tensión del motor 19B aplicada al motor del ventilador 18 y la corriente del motor 19C que pasa a través del motor del ventilador. Como puede observarse en las formas de onda, la tensión del motor 19B tiene grandes discontinuidades, y por tanto, armónicos, que causan que se genere ruido y vibración en el motor del ventilador 18. Los armónicos de la tensión del motor 19B que se llevan al motor del ventilador 18 causan una importante cantidad de 35 vibraciones y ruidos molestos.

La fig. 2A muestra otra propuesta del estado de la técnica anterior que facilita un control de velocidad para un ventilador silencioso. En dicha propuesta, se acoplan dos condensadores 24, 25 con conexión eléctrica en serie, entre la fuente de alimentación de CA 16 y el motor del ventilador 18. Se proporcionan dos conmutadores conductores controlablemente 22, 23, por ejemplo, conmutadores semiconductores bidireccionales tales como triacs, en serie con 40 cada uno de los condensadores 24, 25. Se puede manejar un circuito de control 26 para controlar el estado de la conducción de los conmutadores 21, 22, 23, que cambie selectivamente uno o los dos condensadores 24, 25, conectados eléctricamente en serie con el motor del ventilador. Como consecuencia, se forma un divisor de tensión entre los condensadores 24, 25 y el motor del ventilador 18. Los distintos valores de capacitancia en serie con el motor del ventilador 18 producen distintas tensiones en el motor del ventilador, lo que provoca diferentes velocidades en el 45 ventilador. Típicamente, cuando decrece la capacitancia en serie con el motor del ventilador 18, también se reduce la velocidad del motor del ventilador.

Controlando los conmutadores 22, 23 para que inserten y quiten selectivamente los condensadores 24, 25 del circuito, el circuito de control 26 puede proporcionar una serie de velocidades diferenciadas para el ventilador. Si alguno de los conmutadores 22, 23 o cualquier combinación de estos conmutadores es conductora, el motor del ventilador 50 funcionará a una de estas velocidades diferenciadas, en función de la capacitancia equivalente en serie entre la fuente de alimentación de CA y el motor del ventilador 18. El circuito de control 26 hace que cada triac que debe ser conductor seleccione una de las velocidades diferenciadas hasta la prácticamente plena conducción, es decir, el triac conduce aproximadamente la longitud total de cada semiciclo. Como el motor del ventilador 18 tiene una gran componente resistiva, la corriente del motor a través del motor del ventilador dirige la tensión de entrada de CA procedente de la 55 fuente de alimentación de CA 16 (es decir, está fuera de fase respecto a la tensión de entrada de CA) cuando uno o más de los condensadores 24, 25 está acoplado en serie con el motor del ventilador.

El circuito de control 26 también controla un conmutador de bypass 21. Si el conmutador de bypass 21 es conductor, toda la tensión de entrada de CA procedente de la fuente de alimentación de CA 16 se suministra al motor del ventilador 18, que funciona entonces a prácticamente su velocidad máxima. En consecuencia, se pueden obtener hasta cuatro distintas velocidades diferenciadas (incluyendo la velocidad máxima) con el circuito mostrado en la fig. 2A. Para conseguir más niveles de velocidad diferenciados se pueden proporcionar condensadores y conmutadores 5 adicionales, pero el sistema de circuitos se vuelve innecesariamente complejo, extenso y caro a medida que se le agregan componentes. La patente de EE.UU. nº 4.992.709, expedida el 12 de febrero de 1991 y con el título SWITCHING CIRCUIT PROVIDING ADJUSTABLE CAPACITIVE SERIES VOLTAGE DROPPING CIRCUIT WITH A FRACTIONAL HORSEPOWER MOTOR, muestra un ejemplo de este tipo de control de velocidad. Básicamente, la patente de EE.UU. nº 4.992.709 divulga un procedimiento para controlar la velocidad de un motor de CA que utiliza un 10 control de velocidad del motor de CA, con una serie de condensadores que pueden operarse para que se acoplen selectivamente en una conexión eléctrica en paralelo, y los condensadores acoplados en paralelo pueden operarse para que se acoplen en una conexión eléctrica en serie con el motor de CA.

La fig. 2B muestra las formas de onda de la tensión de línea 31A, la tensión del motor 31B y la corriente del motor 31C relativas al control de velocidad en el ventilador 20 del estado de la técnica anterior de la fig. 2A. Como se 15 puede observar, las formas de onda son bastante continuas y suaves, sin las discontinuidades que muestra el sistema de la fig. 1A. Como los conmutadores 21, 22, 23 están bien encendidos o bien apagados y no funcionan según la técnica de control de fase que tiene el control de velocidad del ventilador 10, mostrado en la fig. 1A, las formas de onda no presentan discontinuidades. En consecuencia, cuando el control de velocidad del ventilador 20 funciona en modo estacionario, es decir, en una de las velocidades diferenciadas del ventilador, en el motor del ventilador se genera un 20 ruido mínimo.

Sin embargo, el control de velocidad del ventilador es susceptible de generar ruido cuando el circuito de control 26 cambia la velocidad del motor del ventilador 18, es decir, cuando el circuito de control cambia el modo de conducción de los conmutadores 22, 23. Por ejemplo, considérese que el control de velocidad del ventilador 20 funciona con el conmutador conductor 22 y el conmutador no conductor 23, de tal manera que solo se acopla en serie con el motor del 25 ventilador 18 el condensador 24. El condensador 24 cargará y descargará cada ciclo de línea de acuerdo con la tensión de línea de CA suministrada por la fuente de alimentación de CA 16. Suponiendo que el conmutador 23 no ha sido conductor durante un largo período, el condensador 25 tendrá una carga fundamentalmente baja, es decir, en...

1. Dispositivo de control de carga para controlar la velocidad de un motor de CA (108) para ser alimentado por una tensión suministrada por una fuente de alimentación de CA (104); dicho dispositivo de control de carga incluye:

un primer condensador (112) y un segundo condensador (122), cada uno de los cuales primer y segundo condensador está adaptado para ser acoplado en conexión eléctrica en serie entre la fuente de alimentación 5 de CA (104) y el motor de CA (108); un primer conmutador conductor controlablemente (110) acoplado en conexión eléctrica en serie con el primer condensador; y un segundo conmutador conductor controlablemente (120) acoplado en conexión eléctrica en serie con el segundo condensador; y un circuito de control (140) que puede operarse para controlar el primer y el segundo conmutador conductores controlablemente y que proporcionen una serie de velocidades diferenciadas en el motor de CA (108); 10

caracterizado porque el circuito de control puede operarse para cambiar la velocidad del motor de CA haciendo no conductores aquellos conmutadores que en ese momento son conductores;

haciendo conductor al primer conmutador (110) en el primer cruce por cero de la tensión de suministro de CA, para permitir que el primer condensador (112) se cargue hasta una tensión predeterminada;

haciendo no conductor al primer conmutador (110) cuando el primer condensador (112) se ha cargado hasta 15 la primera tensión predeterminada;

haciendo conductor al segundo conmutador (120) en el segundo cruce por cero de la tensión de suministro de CA, para permitir que el segundo condensador (122) se cargue hasta una segunda tensión predeterminada;

haciendo no conductor al segundo conmutador (120) cuando el segundo condensador (122) se ha cargado 20 hasta la segunda tensión predeterminada; y

haciendo conductores al primer (110) y al segundo (120) conmutador en un período predeterminado después de un tercer cruce por cero de la tensión de suministro de CA, si la diferencia de tensión entre la primera y la segunda tensión está por debajo de un valor tal que no se generan grandes corrientes en circulación a través de los condensadores cuando están conectados en paralelo. 25

2. Dispositivo de control de carga conforme a la reivindicación 1, en el que los conmutadores conductores controlablemente (110, 120, 130) incluyen conmutadores semiconductores bidireccionales.

3. Dispositivo de control de carga de la reivindicación 2, en el que los conmutadores semiconductores bidireccionales incluyen triacs.

4. Dispositivo de control de carga de la reivindicación 3, en el que los triacs se vuelven no conductores cuando la 30 corriente que atraviesa el motor de CA (108) es de cero amperios.

5. Dispositivo de control de carga de la reivindicación 3, en el que la primera y la segunda tensión predeterminada son aproximadamente el pico de la tensión de suministro de CA.

6. Dispositivo de control de carga de la reivindicación 2, en el que cada conmutador semiconductor bidireccional incluye dos transistores de efecto de campo acoplados en conexión antiserie. 35

7. Dispositivo de control de carga de la reivindicación 2, en el que cada conmutador semiconductor bidireccional incluye un transistor de efecto de campo en un puente rectificador.

8. Dispositivo de control de carga de la reivindicación 1, en el que el circuito de control (140) puede operarse para monitorizar las tensiones del primer (112) y el segundo (122) condensador y comparar las tensiones en el primer y el segundo condensador respecto a la primera y a la segunda tensión predeterminada, respectivamente, con el fin de 40 determinar cuándo hacer no conductores al primer (110) y al segundo (120) conmutador.

9. Dispositivo de control de carga de la reivindicación 1, que incluye además:

un circuito comparador de tensiones (350), que puede operarse para comparar las tensiones del primer (112) y el segundo (122) condensador respecto a la primera y la segunda tensión predeterminada, respectivamente; 45

en el que el circuito de control (140) puede operarse para hacer no conductores al primer (110) y al segundo (120) conmutador, en respuesta a las comparaciones de tensión procedentes del circuito comparador (350).

10. Dispositivo de control de carga de la reivindicación 1, que comprende además:

un circuito detector de cruce por cero (144) que puede operarse para proporcionar al circuito de control (140) una señal representativa de los cruces por cero de la tensión de suministro de CA. 50

11. Dispositivo de control de carga de la reivindicación 10, en el que el circuito de control (140) puede operarse para hacer conductores a los conmutadores conductores controlablemente (110, 120, 130), en respuesta a la señal

representativa de los cruces por cero de la tensión de suministro de CA.

12. Dispositivo de control de la reivindicación 1, en el que el circuito de control (140) puede operarse para hacer no conductores a los conmutadores conductores controlablemente (110, 120, 130), cuando la corriente que atraviesa el motor de CA (108) se vuelve cero amperios.

13. Dispositivo de control de carga de la reivindicación 12, que comprende además: 5

un primer (114) y un segundo (124) resistor limitador en conexión eléctrica en serie con el primer (112) y el segundo (122) condensador, respectivamente;

en el que el circuito de control (140) se puede manejar para monitorizar las tensiones de los resistores limitadores con el fin de determinar cuándo la corriente que atraviesa el motor de CA es de cero amperios.

14. Dispositivo de control de la reivindicación 1, que incluye además: 10

un primer (116) y un segundo (126) resistor de descarga acoplados en conexión eléctrica en paralelo con el primer (112) y el segundo (122) condensador, respectivamente;

en el que el primer y el segundo condensador pueden operarse para descargar lentamente tras haber cargado a la primera y segunda tensión predeterminada, respectivamente.

15. Dispositivo de control de carga de la reivindicación 1, en el que la diferencia entre la tensión del primer 15 condensador (112) y la tensión del segundo condensador (122) no es mayor de 30 voltios, en un período predeterminado tras el tercer cruce por cero.

16. Dispositivo de control de carga de la reivindicación 15, en el que la diferencia entre la tensión del primer condensador (112) y la tensión del segundo condensador (122) no es mayor de 20 voltios, en un período predeterminado tras el tercer cruce por cero. 20

17. Dispositivo de control de carga de la reivindicación 1, en el que se produce una corriente en circulación en el primer (112) y el segundo (122) condensador cuando el circuito de control (140) hace conductores al primer (110) y al segundo (120) conmutador en un período predeterminado tras el tercer cruce por cero, y la corriente en circulación tiene una magnitud no mayor de aproximadamente 32 amperios.

18. Dispositivo de control de carga de la reivindicación 17, en el que la corriente en circulación tiene una magnitud 25 no superior a 21,2 amperios aproximadamente.

19. Dispositivo de control de carga de la reivindicación 1, en el que el período predeterminado sucede aproximadamente cuando la tensión de suministro de CA alcanza su valor pico.

20. Dispositivo de control de carga de la reivindicación 1, en el que la primera tensión predeterminada es la misma que la segunda tensión predeterminada. 30

21. Dispositivo de control de carga de la reivindicación 1, en el que una primera capacitancia del primer condensador (112) es menor que una segunda capacitancia del segundo condensador (122), y el circuito de control (140) puede operarse para permitir al primer condensador (112) que se cargue antes de permitir que se cargue el segundo condensador (122).

22. Dispositivo de control de carga de la reivindicación 1, en el que el primer cruce por cero sucede antes del 35 segundo cruce por cero, y el segundo cruce por cero sucede antes del tercer cruce por cero.

23. Dispositivo de control de carga de la reivindicación 1, en el que el circuito de control (140) se puede manejar para cambiar la velocidad del motor de CA (108) desde la velocidad de apagado hasta una velocidad reducida, cambiando la velocidad del motor de CA (108) hasta una velocidad intermedia menor que la velocidad máxima del motor de CA (108), antes de cambiar la velocidad del motor de CA (108) a la velocidad reducida. 40

24. Procedimiento para controlar la velocidad de un motor de CA (108) alimentado por la tensión suministrada por una fuente de alimentación de CA (104); dicho procedimiento incluye las siguientes etapas de:

acoplar un primer condensador (112) en una conexión eléctrica en serie, entre la fuente de alimentación CA y el motor de CA;

acoplar un segundo condensador (122) en una conexión eléctrica en serie, entre la fuente de alimentación 45 CA y el motor de CA;

acoplar un primer conmutador conductor controlablemente (110) y un segundo conmutador conductor controlablemente (112) en conexión eléctrica en serie con el primer condensador (112) y el segundo condensador (122) respectivamente;

caracterizado por 50

cambiar la velocidad del motor de CA (108):

cambiar la velocidad del motor de CA (108):

haciendo no conductores aquellos conmutadores que en ese momento son conductores;

haciendo conductor al primer conmutador (110) en el primer cruce por cero de la tensión de suministro de CA, para permitir que el primer condensador (112) se cargue hasta una tensión predeterminada;

haciendo no conductor al primer conmutador (110) cuando el primer condensador (112) se ha cargado 5 hasta la primera tensión predeterminada;

haciendo conductor al segundo conmutador (120) en el segundo cruce por cero de la tensión de suministro de CA, para permitir que el segundo condensador (122) se cargue hasta la tensión predeterminada;

haciendo no conductor al segundo conmutador (120) cuando el segundo condensador (122) se ha 10 cargado hasta la segunda tensión predeterminada; y

haciendo conductores al primer (110) y al segundo (120) conmutador en un período predeterminado después de un tercer cruce por cero de la tensión de suministro de CA, cuando la diferencia de tensión entre la primera y la segunda tensión está por debajo de un valor tal que no se generan grandes corrientes en circulación a través de los condensadores cuando están conectados en 15 paralelo.

25. Procedimiento de la reivindicación 24, en el que los conmutadores conductores controlablemente (110, 120, 130) comprenden conmutadores semiconductores bidireccionales.

26. Procedimiento de la reivindicación 25, en el que los conmutadores semiconductores bidireccionales comprenden triacs. 20

27. Procedimiento de la reivindicación 26, en el que los triacs se vuelven no conductores cuando la corriente que atraviesa el motor de CA (108) se vuelve cero amperios.

28. Procedimiento de la reivindicación 26, en el que la tensión predeterminada es aproximadamente el pico de la tensión de suministro de CA.

29. Procedimiento de la reivindicación 24, en el que la diferencia entre la tensión del primer condensador (112) y la 25 tensión del segundo condensador (122) no es mayor de 30 voltios, en un período predeterminado tras el tercer cruce por cero.

30. Procedimiento de la reivindicación 29, en el que la diferencia entre la tensión del primer condensador (112) y la tensión del segundo condensador (122) no es mayor de 20 voltios, en un período predeterminado tras el tercer cruce por cero. 30

31. Procedimiento de la reivindicación 24, en el que se produce una corriente en circulación en el primer (112) y el segundo (122) condensador durante la fase que hace conductores al primer (110) y al segundo (120) conmutado, en un período predeterminado tras el tercer cruce por cero, y la corriente en circulación tiene una magnitud no mayor de aproximadamente 32 amperios.

32. Procedimiento de la reivindicación 31, en el que la corriente en circulación tiene una magnitud no superior a 35 21,2 amperios aproximadamente.

33. Procedimiento de la reivindicación 24, en el que el cambio de velocidad del motor de CA también comprende:

hacer no conductores a los conmutadores conductores controlablemente (110, 120, 130), cuando la corriente que atraviesa el motor de CA (108) se vuelve cero amperios.

34. Procedimiento de la reivindicación 24, que además comprende la etapa de: 40

cambiar la velocidad del motor de CA (108) desde la velocidad de apagado hasta una velocidad reducida, cambiando la velocidad del motor de CA (108) hasta una velocidad intermedia menor que la velocidad máxima del motor de CA (108), y cambiar la velocidad del motor de CA (108) hasta la velocidad reducida, tras la etapa de cambiar la velocidad del motor de CA (108) a la velocidad intermedia.

35. Procedimiento de la reivindicación 24, que además comprende: 45

en cada nueva selección de la velocidad del motor, la carga de los condensadores (112, 122, 132) hasta la misma tensión predeterminada antes de combinar los condensadores (112, 122, 132) en conexión eléctrica en paralelo.