Método y sistema para controlar un motor eléctrico sin escobillas.

Método para controlar un motor sincrónico (2) sin escobillas, conmutado electrónicamente, en concreto unmotor sincrónico de imán permanente, en que una tensión alterna monofásica (UN) con una frecuencia de red (fN) serectifica y, como tensión de circuito intermedio (UZ) con una pulsación (2fN) igual al doble de la frecuencia de red, sedirige mediante un circuito intermedio delgado (6), que no contiene ninguna o solo una mínima reactancia, a unconvertidor (8) controlado para la alimentación y la conmutación del motor eléctrico (2), donde el control se efectúamediante una regulación del fasor espacial de tensión por campo orientado en el sistema cartesiano de coordenadasfijado en el rotor, donde una corriente q (iq) se regula perpendicularmente al campo magnético permanente, comocomponente del fasor espacial de tensión (i) que forma el momento de giro, y una corriente d (id) puede regularse enla dirección del campo magnético permanente, como componente del fasor espacial de tensión (i) que influye en elcampo, caracterizado por un debilitamiento dinámico del campo, en el cual la corriente d (id) se prefija en la zonanegativa con un curso sinusoidal y una frecuencia (2fN) doble respecto a la de la red, y la corriente q (iq) se regulasegún su desfase y amplitud, de manera que se minimice una ondulación de la corriente q (iq).

Método y sistema para controlar un motor eléctrico sin escobillas La presente invención se refiere en primer lugar, según el concepto general de la reivindicación 1, a un método para controlar un motor sincrónico de imán permanente, sin escobillas y de conmutación electrónica, especialmente un motor sincrónico trifásico, en que una corriente alterna monofásica con una frecuencia de red se rectifica y, como tensión de circuito intermedio con una pulsación igual al doble de la frecuencia de red, se dirige mediante un circuito intermedio delgado, que no contiene ninguna o solo una mínima reactancia, a un convertidor controlado para la alimentación y la conmutación del motor eléctrico, donde el control se efectúa mediante una regulación del fasor espacial de tensión (regulación vectorial) por campo orientado en el sistema cartesiano de coordenadas fijado en el rotor, donde una corriente q se regula perpendicularmente al campo magnético permanente, como componente del fasor espacial de tensión que forma el momento de giro, y una corriente d puede regularse en la dirección del campo magnético permanente, como componente del fasor espacial de tensión que influye en el campo.

Además la presente invención también se refiere, según el concepto general de la reivindicación 7, a un sistema de control correspondiente, en concreto mediante el uso del método de la presente invención, con un rectificador de red, un circuito intermedio delgado conectado en serie, que no contiene ninguna o solo una mínima reactancia, así como un convertidor que se alimenta por el circuito intermedio y se puede controlar para conmutar el motor eléctrico, y que está dotado de medios para regular el fasor espacial de tensión por campo orientado, con un regulador del número de revoluciones para establecer una corriente q como componente del fasor espacial de tensión que forma el momento de giro.

Los motores de conmutación electrónica, llamados motores EC, suelen emplearse para accionar el ventilador. Estos accionamientos constan generalmente de un motor sincrónico de imán permanente (PMSM) con electrónica de potencia y señalización integrada. En este caso se trata frecuentemente de motores de rotor externo.

Estos motores eléctricos se pueden accionar con una corriente alterna de red, monofásica o trifásica, rectificando primero la corriente alterna de red en la tensión de un circuito intermedio que después, mediante un convertidor controlado, se transforma en un voltaje operativo para la alimentación y la conmutación del motor. El convertidor se controla generalmente mediante una regulación de fasor espacial de tensión por campo orientado, ajustando una corriente q - como componente del fasor espacial de tensión que forma el momento de giro - perpendicularmente al campo magnético permanente, a fin de alcanzar un momento máximo de giro. Una corriente d, que se puede regular en la dirección del campo magnético permanente, forma un componente del fasor espacial de tensión que influye en el campo, es decir generándolo o debilitándolo según el sentido de la corriente. Habitualmente, en los motores sincrónicos la corriente d se ajusta a cero para lograr un rendimiento óptimo.

Para conseguir un momento de giro del motor lo más uniforme y constante posible con un mínimo de ondulación (la ondulación del momento de giro en el entrehierro, es decir, del momento interno del motor) y por tanto un buen comportamiento acústico (sobre todo en accionamientos de ventilador) , la tensión continua del circuito intermedio debería ser lo más constante posible. Para ello, hasta la fecha, la tensión continua rectificada por un convertidor de red y fuertemente pulsante se nivelaba mediante al menos un condensador de alisado y además ocasionalmente con una inductancia oscilante. Para ello el condensador de alisado debe tener realmente una capacidad bastante grande (p.ej. varios cientos de pF) , por lo cual solían usarse condensadores electrolíticos (Elkos) . Sin embargo tienen en la práctica estos condensadores tienen desventajas, sobre todo un gran volumen y una baja duración.

Por tanto hoy en día se tiende cada vez más a prescindir totalmente de condensadores de alisado o, al menos, de condensadores electrolíticos, de manera que en el segundo caso se emplean condensadores de plástico de larga duración, de menor capacidad (solo hasta algunos µF) . Debido a la ausencia o a la poca (mínima) presencia de reactancias se habla de un “circuito intermedio delgado”, lo cual permite renunciar totalmente o en gran parte a un desacoplamiento del lado de la red y del motor mediante elementos de almacenamiento tales como condensadores y bobinas (reactancias) . Esto significa que un circuito intermedio delgado no contiene ninguna o solo una mínima reactancia.

Con esta tecnología del “circuito intermedio delgado” surgen ciertos problemas, sobre todo en la alimentación por la red monofásica (cuya frecuencia usual es p.ej. de 50 Hz) , porque la tensión continua rectificada tiene una fuerte pulsación, igual al doble de la frecuencia de la red (p.ej. 100 Hz) , y su curso corresponde al módulo de la tensión alterna sinusoidal de la red. Si un motor EC (PMSM) se alimentara directamente con tal tensión continua fuertemente pulsante, por debajo de una determinada tensión límite solo llegaría al bobinado del motor una corriente demasiado pequeña para poder mantener constante el momento de giro necesario.

La reducción del condensador del circuito intermedio y de la ondulación del momento de giro es objeto de varias patentes, p.ej. EP2039605, JP 2002051589, JP10248300. La presente invención tiene por objeto optimizar de modo técnicamente ventajoso y con medios sencillos, económicamente factibles, el funcionamiento de un motor eléctrico de conmutación electrónica (motor EC) con “circuito intermedio”.

En la presente invención esto se consigue mediante un método según la reivindicación 1. La reivindicación 7 tiene por objeto un sistema de control adecuado para el uso del método. Las reivindicaciones secundarias y la siguiente descripción contienen formas de ejecución ventajosas de la presente invención.

Así pues, según la presente invención, tiene lugar un debilitamiento dinámico del campo, estableciendo la corriente d en la zona negativa con un desarrollo sinusoidal y el doble de frecuencia de la red y regulando la corriente d según su desfase (respecto a la frecuencia de red) y su amplitud en función de la corriente q, de manera que se minimice la ondulación de la corriente q. Puesto que la corriente d - como componente que forma el momento de giro - es proporcional al mismo, la ondulación del momento de giro (ondulación del momento de giro en el entrehierro = momento interno del motor) también se minimiza.

La presente invención está basada en el conocimiento de que, en un caso ideal, la corriente d debería regularse dinámicamente para que el fasor espacial de tensión siempre se reponga en el sistema de coordenadas fijado en el rotor, de modo que en dicho sistema el fasor espacial de tensión (correspondiente a las amplitudes de las tensiones de fase) tenga la mayor longitud posible al formarse la tensión pulsante del circuito intermedio (reposición de la tensión de fase) . La parte de corriente q que forma el momento de giro permanece constante. Sin embargo, para ello haría falta una resolución exacta de una ecuación diferencial y una implementación técnica correspondiente. Pero en la presente invención se logra que, al variar temporalmente la corriente d, se reponga la tensión de fase mediante la evolución temporal de la tensión del circuito intermedio, con lo cual las tensiones de fase del motor resultantes aún pueden generarse con suficiente aproximación a partir de la tensión pulsante del circuito intermedio. Una corriente d negativa produce un debilitamiento del campo, cuya consecuencia es que el motor puede accionarse con una menor tensión en los bornes y, por lo tanto con una menor tensión del circuito intermedio, y no obstante alcanza luego su rendimiento nominal (momento de giro nominal, número nominal de revoluciones) con un consumo de corriente más elevado. Así pues, a pesar de la tensión pulsante del circuito intermedio y también de los menores voltajes, inferiores a la tensión límite determinada, debido al debilitamiento del campo, el motor se puede mantener en marcha con un momento de giro casi constante. Asimismo, el debilitamiento dinámico del campo produce un almacenamiento dinámico de energía en las inductancias del motor y con ello una recuperación energética en el circuito intermedio, así como un alisado de la tensión de fase. Se trata prácticamente de un “efecto convertidor elevador” mediante... [Seguir leyendo]

1. Método para controlar un motor sincrónico (2) sin escobillas, conmutado electrónicamente, en concreto un motor sincrónico de imán permanente, en que una tensión alterna monofásica (UN) con una frecuencia de red (fN) se rectifica y, como tensión de circuito intermedio (UZ) con una pulsación (2fN) igual al doble de la frecuencia de red, se dirige mediante un circuito intermedio delgado (6) , que no contiene ninguna o solo una mínima reactancia, a un convertidor (8) controlado para la alimentación y la conmutación del motor eléctrico (2) , donde el control se efectúa mediante una regulación del fasor espacial de tensión por campo orientado en el sistema cartesiano de coordenadas fijado en el rotor, donde una corriente q (iq) se regula perpendicularmente al campo magnético permanente, como componente del fasor espacial de tensión (i) que forma el momento de giro, y una corriente d (id) puede regularse en la dirección del campo magnético permanente, como componente del fasor espacial de tensión (i) que influye en el campo, caracterizado por un debilitamiento dinámico del campo, en el cual la corriente d (id) se prefija en la zona negativa con un curso sinusoidal y una frecuencia (2fN) doble respecto a la de la red, y la corriente q (iq) se regula según su desfase y amplitud, de manera que se minimice una ondulación de la corriente q (iq) .

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque la corriente q (iq) se prefija independientemente de la corriente d (id) , mediante un regulador del número de revoluciones (10) .

3. Método según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque mediante el debilitamiento dinámico del campo tiene lugar un almacenamiento dinámico de energía en las inductancias del motor y con él una recuperación de energía en el circuito intermedio (6) , así como un alisado de la corriente de fase.

4. Método según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por una aplicación para un motor (2) con gran inductancia de fase y/o para un motor (2) cuya frecuencia de fase es inferior a la frecuencia de pulso de la tensión del circuito intermedio (UZ) .

5. Método según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la tensión (UZ) del circuito intermedio

(6) se incrementa mediante un convertidor elevador, al menos hasta una tensión límite, con respecto a sus valores instantáneos y de este modo se alisa.

6. Método según la reivindicación 5, caracterizado porque las inductancias de fuga de los extremos del bobinado del motor se usan como inductancia para el convertidor elevador.

7. Sistema de control para un motor eléctrico (2) sin escobillas, conmutado electrónicamente, en concreto un motor sincrónico de imán permanente, sobre todo con la aplicación del método según una de las reivindicaciones anteriores, que consta de un rectificador de red (4) , de un circuito intermedio delgado (6) conectado tras él, que no contiene ninguna o solo una mínima reactancia, así como de un convertidor (8) alimentado a través del circuito intermedio (6) y controlado para conmutar el motor eléctrico (2) , con medios para regular el fasor espacial de tensión por campo orientado en el sistema cartesiano de coordenadas fijado en el rotor, con un regulador (10) del número de revoluciones, para establecer una corriente q (iq) como componente del fasor espacial de tensión (i) que forma el momento de giro, caracterizado porque posee un generador de funciones (16) para prefijar una corriente d (id) que varía dinámicamente y tiene un desarrollo sinusoidal y una frecuencia de red doble (2fN) , como componente de corriente para la debilitación dinámica del campo, así como un regulador (18) de valores extremos que regula la corriente d (id) sinusoidal según su desfase y amplitud, en función de la corriente q (iq) , de manera que se minimice una ondulación de la corriente q (iq) .

8. Sistema de control según la reivindicación 7, caracterizado porque el motor eléctrico (2) está diseñado como motor sincrónico trifásico y en particular como motor de rotor externo.

9. Sistema de control según la reivindicación 7 u 8, caracterizado porque en el circuito intermedio (6) se prevé un convertidor elevador que incrementa la tensión (UZ) del circuito intermedio, al menos hasta una tensión límite, con respecto a sus valores instantáneos, de este modo la alisa.

10. Sistema de control según la reivindicación 9, caracterizado porque como inductancia para el convertidor elevador se usan inductancias de fuga de los extremos del bobinado del motor.

Tiempo