Sistema de control de anticipación para un motor eléctrico y procedimiento de control de anticipación para un motor eléctrico aplicado a cargas cíclicas.

Sistema de control de anticipación para un motor eléctrico (10) aplicado a cargas cíclicas,

comprendiendo el sistema de control:

- un motor eléctrico (10);

- por lo menos una unidad electrónica de control (20) para accionar el motor eléctrico (10);

- por lo menos una unidad electrónica de potencia (30) que está gobernada eléctricamente por medio de la unidad electrónica de control (20), estando caracterizado el sistema por el hecho de que comprende un controlador de velocidad media y un dispositivo eléctrico de observación de la posición del motor eléctrico, ambos implementados a través de la unidad electrónica de control (20), estando dispuesto el controlador de velocidad media para monitorizar una velocidad media del motor eléctrico (10), estando dispuesto el dispositivo de observación de la posición para monitorizar y almacenar una velocidad instantánea (Si) en cada posición del motor eléctrico (10) y estimar, por medio de cada posición, una velocidad instantánea de control (Sc) del motor eléctrico (10), estando dispuesta la unidad electrónica de control (20) para calcular un tensión promedio (Vm) en base a la velocidad media monitorizada, estando dispuesta la unidad electrónica de potencia (30) para accionar eléctricamente el motor eléctrico (10) mediante un valor de tensión de control (Vcontrol), calculándose este valor de tensión de control (Vcontrol) multiplicando la tensión promedio (Vm) por el resultado de la división entre la velocidad instantánea de control (Sc) y la velocidad media.

Sistema de control de anticipación para un motor eléctrico y procedimiento de control de anticipación para un motor eléctrico aplicado a cargas cíclicas La presente invención se refiere a un sistema especialmente diseñado para controlar motores de imanes permanentes de tipo trapezoidal sin escobillas de corriente continua, con el objetivo de optimizar la eficiencia del consumo de energía eléctrica en la conducción de cargas cíclicas, tales como compresores en sistemas de refrigeración.

Adicionalmente, la presente invención dispone un procedimiento de control para motores de este tipo, que se implementa en el sistema que ahora se reivindica.

Descripción del estado de la técnica Los motores de imanes permanentes de tipo sin escobillas de corriente continua están siendo cada vez más populares en aplicaciones que requieren bajos costes y un elevado rendimiento. Los motores de tipo sin escobillas de corriente continua son similares a los motores de corriente continua montados invertidos, en los que los imanes permanentes van montados en el rotor. Mientras que en los motores de corriente continua la inversión de la corriente la realiza el conmutador y las escobillas, en el caso de los motores sin escobillas de corriente continua, la corriente se invierte por medio de unos inversores de potencia que accionan las bobinas del estator.

Para obtener un par máximo y una eficiencia más elevada en el consumo de energía es necesario sincronizar la corriente con la tensión inducida en las fases del motor. Esto puede llevarse a cabo mediante el uso de sensores acoplados al eje del motor o mediante la observación de las tensiones, o corrientes, inducidas en las fases del motor. Los sensores acoplados al eje del motor presentan el inconveniente de que añaden elementos adicionales al diseño del motor, aumentando considerablemente el coste final de la solución. Además, las limitaciones de espacio y el propio entorno al cual se ve sometido el motor pueden hacer que el uso de estos tipos de sensores sea inviable. Por ello, el uso de observadores de tensión o corriente constituye la mejor elección en la mayoría de los casos.

La patente norteamericana US 6922027 describe una técnica que utiliza un observador de tensión construido con una red formada por comparadores de tensión, condensadores y resistencias. La salida de los comparadores se envía a un microprocesador que determina los instantes de conmutación del accionamiento motorizado. Aunque la solución es microprocesada, esto requiere el uso de muchos componentes externos.

Andrich y otros utiliza una técnica en la cual se muestran las tres fases del motor, se tratan matemáticamente, y luego se comparan entre sí para determinar los instantes de conmutación del motor. Las ventajas de esta técnica son la eliminación de los circuitos analógicos para determinar la posición del motor, la flexibilidad en los ajustes del observador de acuerdo con la estructura mecánica del motor, una menor sensibilidad a las variaciones paramétricas de los componentes y la posibilidad de calibrar el circuito.

Los motores de corriente continua sin escobillas pueden utilizarse para accionar compresores aplicados a sistemas de refrigeración. Este tipo de aplicación satisface las condiciones de cargas cíclicas definidas en el alcance de esta invención. El objetivo de aplicar este tipo de motor a sistemas de refrigeración es la variación de la capacidad de refrigeración del sistema, que puede controlarse variando el flujo de refrigeración. La cantidad de flujo de refrigeración, a su vez, es directamente proporcional a la velocidad media del motor. Por consiguiente, la especificación principal del controlador debe ser el control de la velocidad de giro media.

El funcionamiento del compresor puede dividirse en dos etapas de operación: la etapa de aspiración y la etapa de compresión. La aspiración se produce al comienzo de cada ciclo y se caracteriza por la retirada del pistón dentro del cilindro. Durante este procesamiento, el cilindro se llena con el fluido refrigerante. El ciclo de compresión, a su vez, comienza cuando el pistón invierte su sentido de desplazamiento. Durante esta etapa, el fluido se comprime en el interior del cilindro. Al comprimirse el fluido se genera un par mucho mayor que el par medio que resulta de una carrera mecánica completa. Teniendo en cuenta que este comportamiento se repite en cada carrera mecánica, puede apreciarse un comportamiento cíclico en la variación del par durante el funcionamiento del motor.

La variación del par en una carrera mecánica provoca una variación de la velocidad del motor, disminuyendo la velocidad del motor durante el ciclo de compresión. Generalmente, no existe ninguna compensación en la acción de control para regular la velocidad instantánea del motor en una carrera mecánica para compensar la velocidad durante el ciclo de compresión. Los controladores desarrollados para accionar los compresores suponen que lo que es importante para el sistema de refrigeración es el control del caudal de refrigeración medio, que se define básicamente por la velocidad de giro media.

Sin embargo, el simple control de la velocidad media del motor puede presentar distorsiones en la forma de onda de la corriente debido a la variación del giro durante los ciclos de aspiración y compresión. Esta deformación de la forma de onda de la corriente no es deseable dado que disminuye la eficiencia del consumo de energía eléctrica debido a la reducción del factor de potencia del motor.

Teniendo en cuenta el ciclo de compresión, por ejemplo, se observa que la tensión inducida en el motor mantiene una reducción de la amplitud debido a la reducción de la velocidad provocada por el aumento de par. Los controladores convencionales no actúan para modificar la tensión media aplicada al motor y por ello existe un aumento en la diferencia de potencial aplicado a las bobinas del motor, lo que se define como la diferencia entre la tensión aplicada por el inversor y la tensión inducida del motor. El aumento de la diferencia de potencial aplicada a las bobinas del motor provoca entonces un aumento de la corriente durante el ciclo de compresión. De la misma manera, en el ciclo de aspiración la corriente disminuye debido a la reducción de la amplitud de la tensión inducida en el motor.

Por lo tanto, la corriente aplicada en el motor aumenta durante el ciclo de compresión y disminuye durante el ciclo de aspiración. Este comportamiento es exactamente el contrario al comportamiento de la tensión inducida, que disminuye durante el ciclo de compresión y aumenta durante el ciclo de aspiración. El impacto de este comportamiento inverso entre la tensión y la corriente es en el factor de potencia del motor, un factor que disminuye a medida que la forma de onda de la corriente se vuelve diferente a la forma de onda de la tensión inducida.

Breve descripción y objetivos de la invención El objetivo de la presente invención es mejorar el factor de potencia del motor sin escobillas de corriente continua aplicado al accionamiento de cargas cíclicas, ajustando la forma de onda de la corriente aplicada al motor. Este ajuste de la forma de onda de la corriente debe llevarse a cabo debido a las variaciones en la tensión inducida del motor como consecuencia de variaciones en la velocidad en una carrera mecánica.

Los ajustes de la forma de onda de la corriente se basan en la información de carreras anteriores, teniendo en cuenta que la forma de onda estándar del par, la velocidad y la tensión inducida en el motor deben variar poco de una carrera mecánica a la siguiente en el funcionamiento de cargas cíclicas. La técnica de control propuesta aprovecha esta característica cíclica de la carga para anticipar los ajustes en la tensión aplicada al motor. Es como si la técnica de control pudiera anticipar la carga del motor y predecir el impacto de esta variación sobre el motor. De este modo, el controlador es capaz de anticipar los ajustes necesarios en la tensión aplicada al motor en base a este comportamiento previsto.

Por consiguiente, los objetivos de la presente invención se consiguen disponiendo un sistema y un procedimiento de control de anticipación para motores eléctricos aplicados a cargas cíclicas, presentando dicho sistema un motor eléctrico, que comprende por lo menos una unidad electrónica de control, por lo menos una unidad electrónica de potencia, por lo menos un dispositivo eléctrico de observación de la posición, estando accionado eléctricamente el motor eléctrico por la unidad electrónica de potencia, estando gobernada eléctricamente la unidad electrónica de potencia por la unidad electrónica de control, comprendiendo el sistema un controlador de velocidad media y... [Seguir leyendo]

1. Sistema de control de anticipación para un motor eléctrico (10) aplicado a cargas cíclicas, comprendiendo el sistema de control:

- un motor eléctrico (10) ;

- por lo menos una unidad electrónica de control (20) para accionar el motor eléctrico (10) ;

- por lo menos una unidad electrónica de potencia (30) que está gobernada eléctricamente por medio de la unidad electrónica de control (20) ,

estando caracterizado el sistema por el hecho de que comprende un controlador de velocidad media y un dispositivo eléctrico de observación de la posición del motor eléctrico, ambos implementados a través de la unidad electrónica de control (20) , estando dispuesto el controlador de velocidad media para monitorizar una velocidad media del motor eléctrico (10) , estando dispuesto el dispositivo de observación de la posición para monitorizar y almacenar una velocidad instantánea (Si) en cada posición del motor eléctrico (10) y estimar, por medio de cada posición, una velocidad instantánea de control (Sc) del motor eléctrico (10) , estando dispuesta la unidad electrónica de control (20) para calcular un tensión promedio (Vm) en base a la velocidad media monitorizada, estando dispuesta la unidad electrónica de potencia (30) para accionar eléctricamente el motor eléctrico (10) mediante un valor de tensión de control (Vcontrol) , calculándose este valor de tensión de control (Vcontrol) multiplicando la tensión promedio (Vm) por el resultado de la división entre la velocidad instantánea de control (Sc) y la velocidad media.

2. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el motor eléctrico (10) es de tipo sin escobillas, de corriente continua.

3. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la unidad electrónica de potencia (30) comprende un conjunto de conmutadores electrónicos de potencia (SW2N) dispuestos para controlar una tensión en cada fase del motor eléctrico (10) .

4. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el valor de la tensión de control (Vcontrol) se calcula para proporcionar una forma de onda de la corriente del motor eléctrico (10) sustancialmente alineada con una forma de onda de la tensión inducida en el motor eléctrico (10) .

5. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la velocidad instantánea (Si) es una muestra de la carrera anterior del motor eléctrico (10) de manera que el sistema anticipa un comportamiento de las cargas cíclicas.

6. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el dispositivo de observación de la posición funciona para disponer un observador de velocidad.

7. Sistema según la reivindicación 6, caracterizado por el hecho de que el observador de velocidad es un temporizador dispuesto para monitorizar una respuesta del sensor de posición.

8. Sistema según la reivindicación 6, caracterizado por el hecho de que está dispuesto para aplicar una tensión constante al motor eléctrico (10) durante cada una de las posiciones de conmutación.

9. Sistema según la reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que la tensión aplicada en cada posición del motor eléctrico (10) se da en base a las rotaciones medidas en cada posición.

10. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que se utiliza un filtro dispuesto para optimizar la lectura de la velocidad del motor eléctrico (10) .

11. Procedimiento de control de anticipación para un motor eléctrico (10) aplicado a cargas cíclicas, estando el procedimiento caracterizado por el hecho de que comprende las siguientes etapas:

i) calcular la velocidad media del motor eléctrico (10) ; ii) calcular, utilizando la velocidad media de la etapa anterior, una tensión promedio (Vm) , iii) monitorizar una velocidad instantánea (Si) en cada posición del motor eléctrico (10) , iv) almacenar uno o más valores de velocidad instantánea (Si) calculados en la etapa anterior, v) estimar, por medio de cada posición del motor eléctrico (10) , una velocidad instantánea de control (Sc) del motor eléctrico (10) , vi) accionar eléctricamente el motor eléctrico (10) , por medio de un valor de tensión de control (Vcontrol) , calculándose este valor de tensión de control (Vcontrol) multiplicando la tensión promedio (Vm) , por el resultado de la división entre la velocidad instantánea de control (Sc) y la velocidad media.

12. Procedimiento de control de anticipación para un motor eléctrico (10) según la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que las etapas se implementan por medio del sistema de control definido en las reivindicaciones 1 a 10.

REFERENCIAS CITADAS EN LA DESCRIPCIÓN

Esta lista de referencias citadas por el solicitante es únicamente para la comodidad del lector. No forma parte del documento de la patente europea. A pesar del cuidado tenido en la recopilación de las referencias, no se pueden excluir errores u omisiones y la EPO niega toda responsabilidad en este sentido.

Documentos de patentes citados en la descripción • US 6922027 B