Procedimiento y sistema de control para controlar un motor eléctrico sin escobillas.

Procedimiento para el control de un motor eléctrico (2) trifásico sin escobillas conmutado electrónicamente,

estando rectificada una tensión alterna de red (UN) y alimentada, por medio de un circuito intermedio delgado (8) con mínima reactancia de circuito intermedio, como tensión de circuito intermedio (UZ) a un inversor (10) controlable para la alimentación y conmutación del motor eléctrico (2), caracterizado porque una tensión continua pulsante (UG) producida, primeramente, por medio de la rectificación de la tensión alterna de red (UN) es aumentada dínámicamente respecto de sus valores instantáneos de tal modo, que la tensión de circuito intermedio (UZ) resultante se encuentra con ondulación reducida siempre, a través de su desarrollo temporal, por encima de una tensión límite (U1/U2) determinada, siendo convertida la tensión continua pulsante (UG) en la tensión de circuito intermedio (UZ) usando un chopper elevador (18), estando la tensión continua pulsante (UG) conectada a una inductancia (L) con una relación de cadencia regulada en base a la tensión de circuito intermedio (UZ) actual respectiva, siendo la tensión de circuito intermedio (UZ) sumada por medio de un diodo de protección (D), conectado aguas abajo de la inductancia (L), y un condensador de circuito intermedio (CZk) y siendo las inductancias de dispersión (Ls1 - Ls3) de cabezas de bobina de motor existentes en el motor (2) usadas como inductancia (L) para el chopper elevador (18) siendo un funcionamiento de chopper elevador realizado sólo en las fases del control de conmutación del inversor (10) en las que todos los devanados (U, V, W) del motor eléctrico (2) están cortocircuitados, y produciéndose en las demás fases restantes de la conmutación un control habitual de los devanados (U, V, W) para la generación del par.

Procedimiento y sistema de control para controlar un motor eléctrico sin escobillas La presente invención se refiere, en primer lugar, según el preámbulo de la reivindicación 1, a un procedimiento para el control de un motor eléctrico trifásico sin escobillas conmutado electrónicamente, siendo rectificada una tensión alterna de red y alimentado, por medio de un circuito intermedio delgado con mínima reactancia de circuito intermedio, como tensión de circuito intermedio a un inversor controlable para la alimentación y conmutación del motor eléctrico.

Además, según el preámbulo de la reivindicación 4, la invención también se refiere a un sistema de control correspondiente, particularmente usando el procedimiento según la invención, con un rectificador de red, un circuito intermedio delgado conectado aguas abajo con mínima reactancia de circuito intermedio, y con un inversor alimentado por medio del circuito intermedio y controlable para la conmutación del motor eléctrico.

Los motores conmutados electrónicamente, los denominados motores EC, se usan, frecuentemente, como accionamiento de ventiladores. Dichos accionamientos se componen, en general, de un motor sincrónico excitado por imán permanente (PMSM) con sistema electrónico de potencia y señalización integrado. En este caso se trata, frecuentemente, de motores de inducido exterior.

Los motores eléctricos de este tipo pueden ser operados mediante una tensión alterna de red monofásica o trifásica, rectificando, primeramente, la tensión alterna a una tensión de circuito intermedio que, a continuación, para la alimentación y conmutación del motor es convertida por medio de un inversor controlado a una tensión de trabajo del motor.

Para conseguir un par del motor, a ser posible, uniforme y constante con ondulación mínima y, consecuentemente, un comportamiento acústico favorable (en particular, en accionamientos de ventiladores) , la tensión de circuito intermedio debería ser una tensión continua constante, a ser posible. Para ello, hasta el presente, la tensión continua fuertemente pulsante y rectificada por medio de un rectificador de red ha sido aplanada por medio de al menos un condensador de alisado y, dado el caso, una choque de filtro adicional. Con dicho propósito, el condensador de alisado debe presentar, realmente, una capacitancia relativamente grande (por ejemplo, varias centenas de μF) , de modo que, habitualmente, se han usado condensadores electrolíticos (Elkos) . Sin embargo, los mismos tienen en la práctica algunas desventajas, concretamente, en particular, un gran volumen y una vida útil reducida.

Por este motivo, existe hoy día la tendencia creciente de prescindir completamente de condensadores de alisado o al menos de los condensadores electrolíticos, usándose en el segundo caso condensadores de láminas con menor capacitancia (sólo hasta algunos μF) de mayor vida útil. En este caso se habla de "circuito intermedio delgado", prescindiendo totalmente o al menos en gran parte de un desacoplamiento de los lados de red y de motor por medio de componentes de acumulación, como condensadores o choques (reactancias) . Esto significa que un circuito intermedio delgado no contiene una reactancia de circuito intermedio o sólo la contiene minimalizada.

Con dicha tecnología del "circuito intermedio delgado" aparecen problemas particulares, ante todo en la alimentación desde la red monofásica, porque la tensión continua rectificada pulsa muy fuertemente con una frecuencia de 100 Hz cuya curva de tensión corresponde al valor de la tensión alterna de red sinusoidal. Ahora, si un motor conmutado electrónicamente (PMSM) fuese alimentado por una tensión continua fuertemente pulsante de este tipo, podría no aplicarse a los devanados de motor ninguna corriente de motor por debajo de una determinada tensión límite. El resultado sería una caída del par.

Para, a ser posible, mantener el par constante pese a la tensión continua del circuito intermedio ondulatoria, se conocen algunas posibilidades.

Es así que el par puede mantenerse constante mediante una regulación de la corriente. La desventaja es, en este caso, el hecho de que para ello deben detectarse las corrientes de motor y que una regulación de corriente demasiado rápida puede inducir a oscilar a un sistema compuesto de inductancia de red y capacitor de circuito intermedio. El resultado sería una pulsación aún mayor de la tensión de circuito intermedio.

Además, el uso de rectificadores controlados en combinación con el inversor del motor conmutado electrónicamente también es conocido (véase, por ejemplo, la cita literaria "Verlustarmer Umrichter ohne Zwischenkreis-Kondensator" de B. Piepenbreier y L. Sack en "Elektronik 2006 Nr. 1", páginas 61 a 67) . Ello se realiza, concretamente, mediante inversores matriciales especiales con rectificadores controlados. La desventaja de esta disposición –que en principio funciona bien- son los costes extras por los semiconductores controlables adicionales, que se evidencian mucho, particularmente, en las grandes series de producción.

El documento JP 57 177292 A se refiere a un control de velocidad de un motor de corriente continua sin colectores, estando en el circuito intermedio dispuesto un chopper elevador (step-up chopper) y también un convertidor reductor (step-down chopper) para hacer más uniforme la tensión CC pulsante. Con este propósito, la tensión es reducida en ciertos momentos en la tensión de cresta y en ciertos momentos en el valor cero. Dicho documento se ocupa sólo

del control de velocidad y no de la tecnología de un "circuito intermedio delgado", sobre todo porque en el circuito intermedio se ha previsto un condensador de alisado y una inductancia adicional, de modo que no puede hablarse de un "circuito intermedio delgado".

Algo semejante es válido también para el documento US 4 855 652 A, según el cual, del mismo modo, se ha previsto en el circuito intermedio un chopper elevador (step-up chopper circuit) con una inductancia adicional.

Además, también la publicación US 2002/0089303 A1 describe un circuito de excitación para un motor conmutado electrónicamente con un chopper elevador para una tensión rectificada pulsante, estando el chopper elevador, allí denominado "energy return stage", compuesto de un condensador, un elemento interruptor y una conexión en serie de una inductancia y un diodo. Por lo tanto, tampoco en este caso se ha abordado la temática especial de un "circuito intermedio delgado".

El documento EP 0 869 605 A2 describe un procedimiento para la reducción de consecuencias sobre el desarrollo temporal de una corriente tomada de una red al operar una carga inductiva, concretamente por medio de un rectificador mediante filtración activa de la armónica de una oscilación fundamental de red por medio de un convertidor step-up. Además, el documento da a conocer un dispositivo para el accionamiento de motores según dicho procedimiento. El objetivo consistiría en que, al operar una carga inductiva por medio de un rectificador deberían evitarse con seguridad consecuencias indeseadas sobre el desarrollo temporal de la corriente tomada de la red, concretamente mediante una disposición de filtros de pocas complicaciones y poco peso. Con este propósito, una inductancia necesaria para un convertidor step-up debería ser reemplazada, al menos en parte, por la carga inductiva misma. Si la carga es un motor, al menos un devanado del motor debería usarse como inductancia para el convertidor step-up. No obstante, en este caso se han dado a conocer condensadores que, de acuerdo con la habitual representación en esquemas de conexiones, deben ser calificados como condensadores electrolíticos. Por lo tanto, en los circuitos dados a conocer en dicho documento no se trata de un control de motor con un "circuito intermedio delgado". Por lo demás, todas las topologías de circuitos dadas a conocer no son aplicables a un motor trifásico.

La presente invención tiene el objetivo de optimizar la operación de un motor eléctrico conmutado electrónicamente con, especialmente, un "circuito intermedio delgado" de una manera técnicamente ventajosa y con medios realizables de manera sencilla y económica.

De acuerdo con la invención, ello se consigue mediante un procedimiento según la reivindicación 1. Un sistema de control apropiado para la aplicación del procedimiento es objeto de la reivindicación 4. En las reivindicaciones dependientes y en la descripción siguiente están contenidas configuraciones ventajosas de la invención.... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para el control de un motor eléctrico (2) trifásico sin escobillas conmutado electrónicamente, estando rectificada una tensión alterna de red (UN) y alimentada, por medio de un circuito intermedio delgado (8) con mínima reactancia de circuito intermedio, como tensión de circuito intermedio (UZ) a un inversor (10) controlable para la alimentación y conmutación del motor eléctrico (2) , caracterizado porque una tensión continua pulsante (UG) producida, primeramente, por medio de la rectificación de la tensión alterna de red (UN) es aumentada dínámicamente respecto de sus valores instantáneos de tal modo, que la tensión de circuito intermedio (UZ) resultante se encuentra con ondulación reducida siempre, a través de su desarrollo temporal, por encima de una tensión límite (U1/U2) determinada, siendo convertida la tensión continua pulsante (UG) en la tensión de circuito intermedio (UZ) usando un chopper elevador (18) , estando la tensión continua pulsante (UG) conectada a una inductancia (L) con una relación de cadencia regulada en base a la tensión de circuito intermedio (UZ) actual respectiva, siendo la tensión de circuito intermedio (UZ) sumada por medio de un diodo de protección (D) , conectado aguas abajo de la inductancia (L) , y un condensador de circuito intermedio (CZk) y siendo las inductancias de dispersión (Ls1 - Ls3) de cabezas de bobina de motor existentes en el motor (2) usadas como inductancia (L) para el chopper elevador (18) siendo un funcionamiento de chopper elevador realizado sólo en las fases del control de conmutación del inversor (10) en las que todos los devanados (U, V, W) del motor eléctrico (2) están cortocircuitados, y produciéndose en las demás fases restantes de la conmutación un control habitual de los devanados (U, V, W) para la generación del par.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la respectiva tensión de circuito intermedio (UZ) actual es alimentada como valor real a un regulador de voltaje (20) que controla con modulación por ancho de pulsos un conmutador electrónico (T9) para la cadencia de la inductancia (L) de un chopper elevador (18) en función del valor real de la tensión de circuito intermedio (UZ) y de la tensión límite (U1/U2) predeterminada.

3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque las inductancias de dispersión (Ls1 - Ls3) de las cabezas de bobina de motor pueden ser influenciadas respecto de su inductancia efectiva (L) , concretamente reducidas o aumentadas, mediante medidas adicionales.

4. Sistema de control de un motor eléctrico (2) trifásico sin escobillas conmutado electrónicamente, en particular usando el procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, con un rectificador de red (6) , un circuito intermedio delgado (8) , conectado aguas abajo, con mínima reactancia de circuito intermedio, y con un inversor (10) alimentado por medio del circuito intermedio y controlable para la conmutación del motor eléctrico (2) , caracterizado por un chopper elevador (18) integrado con un control (20) diseñado de manera tal que una tensión continua pulsante (UG) rectificada por medio del rectificador de red (6) es incrementada dinámicamente respecto de sus valores instantáneos de modo tal que una tensión de circuito intermedio (UZ) resultante con ondulación reducida se encuentra siempre, a lo largo de su desarrollo temporal, por encima de una tensión límite (U1/U2) determinada, presentando el chopper elevador (18) una inductancia (L) en serie con un diodo de protección (D) y con un condensador de circuito intermedio (U1/U2) conectado aguas abajo, pudiendo la inductancia (L) ser cargada de manera cadenciada con la tensión continua (UG) pulsante por medio de un conmutador (T9) controlable electrónicamente, estando la inductancia (L) formada de inductancias de dispersión (Ls1 - Ls3) de cabezas de devanado de motor existentes en el motor eléctrico (2) y el control (20) activa el chopper elevador (18) solamente en las fases de conmutación en las que todos los devanados (U, V, W) del motor eléctrico (2) están cortocircuitados.

5. Sistema de control según la reivindicación 4, caracterizado por un regulador de voltaje (20) que en función de la tensión de circuito intermedio (UZ) actual respectiva y en función de la tensión límite (U1/U2) predeterminada controla el conmutador electrónico (T9) con modulación por ancho de pulsos para la cadencia de la inductancia (L) con una cadencia de pulsos variable.

6. Sistema de control según las reivindicaciones 4 o 5, caracterizado por medios adicionales para influenciar la inductancia (L) activa de las inductancias de dispersión (Ls1 - Ls3) de cabeza de bobina dispuestas en el sector de cabeza de bobina del motor eléctrico (2) .

7. Sistema de control según la reivindicación 6, caracterizado porque el motor eléctrico (2) presenta en al menos una de sus dos caras de cabeza de bobina opuestas axialmente, un anillo compensatorio (36) de un material de elevada permeabilidad magnética, que cubre el sector de cabeza de bobina.

8. Sistema de control según las reivindicaciones 6 o 7, caracterizado porque el motor eléctrico (2) está provisto en al menos una de sus dos caras de cabeza de bobina opuestas axialmente, entre los devanados de motor (34) de un material de relleno de elevada permeabilidad magnética.

9. Sistema de control según una de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque el motor eléctrico (2) presenta al menos en una de sus dos caras de cabeza de bobinado axiales opuestas, en cada caso axialmente entre el devanado de motor (34) y un núcleo de estator (32) ferromagnético, elementos de inserción (38) de un material de alta o baja permeabilidad magnética.

10. Sistema de control según la reivindicación 9, caracterizado porque las piezas de inserción (38) están realizadas como anillos magnéticamente cerrados que encierran los devanados de motor (34) individuales en el sector de cabeza de bobina.

11. Sistema de control según una de las reivindicaciones 4 a 10, caracterizado por un diseño geométrico de los devanados de motor (34) en el sector de cabeza de bobina para influenciar la inductancia (L) activa de las inductancias de dispersión (Ls1 - Ls3) de cabeza de bobina.