Procedimiento de arranque de un motor de inducción monofásico, dispositivo de arranque para un motor monofásico y sistema de arranque para el mismo.

Procedimiento de arranque de un motor de inducción monofásico,

comprendiendo el motor un rotor y un estator (M) con un devanado de marcha (B1) y un devanado de arranque (B2), estando conectados el devanado de marcha (B1) y el devanado de arranque (B2) en paralelo a una fuente de alimentación de corriente alterna (F), estando vinculado eléctricamente el devanado de arranque (B2) a un dispositivo de arranque (28), comprendiendo el dispositivo de arranque un interruptor de arranque (S1) que permite conectar y desconectar el devanado de arranque (B2) a/de la fuente de alimentación (F) bajo el control de un dispositivo electrónico de procesamiento de señales (30), comprendiendo el dispositivo de arranque (28) una fuente de corriente continua (29) suministrada desde los terminales del interruptor de arranque (S1), estando alimentado el dispositivo electrónico de procesamiento de señales (30) por la fuente de corriente continua (29), estando caracterizado el procedimiento de arranque por el hecho de que comprende las etapas de:

a-) primero medir, a través del dispositivo de arranque (28), la tensión entre los terminales del interruptor de arranque (S1) y calcular y almacenar una base de tiempos interna (Tref) mediante el dispositivo electrónico de procesamiento de señales (30) en base a una pluralidad de instantes de tiempo detectados cuando esta tensión pasa por cero antes de cerrarse el interruptor de arranque (S1), estando sincronizada la base de tiempos interna (Tref) con la fase de la fuente de tensión eléctrica (F),

b-) cerrar el interruptor de arranque (S1), para iniciar el suministro de corriente al bobinado de arranque (B2) del motor;

c-) medir uno o más instantes de tiempo de arranque (Tpar) de la corriente en el devanado de arranque (B2) cuando ésta pasa por cero;

d-) comparar los instantes de tiempo (Tpar) donde la corriente que pasa por el devanado de arranque (B2) pasa por cero con la base de tiempos interna (Tref);

e-) calcular, a través del dispositivo de arranque (28), una diferencia de fase (Df) entre la corriente que pasa por el devanado de arranque (B2) y la base de tiempos interna (Tref) en base a la comparación realizada en la etapa d;

f-) abrir el interruptor de arranque (S1) en base al cálculo de la etapa e cuando el dispositivo de arranque (28) detecta una diferencia de fase (Df) entre la corriente que pasa por el devanado de arranque (B2) y la base de tiempos interna (Tref), de un valor mayor que un límite de fase de arranque predeterminado.

Procedimiento de arranque de un motor de inducción monofásico, dispositivo de arranque para un motor monofásico y sistema de arranque para el mismo.

La presente invención se refiere a un procedimiento de arranque de un motor de inducción monofásico especialmente diseñado para optimizar el tiempo de arranque de dicho motor en función de su tamaño y carga de funcionamiento.

La presente invención se refiere, además, a un dispositivo de arranque electrónico del tipo utilizado en motores 10 eléctricos, en particular en motores de inducción monofásicos.

Adicionalmente, la presente invención se refiere a un sistema de arranque de motores de inducción monofásicos que incluye el dispositivo y el procedimiento que se proponen aquí.

Descripción de la técnica anterior

Los motores de inducción monofásicos se utilizan ampliamente debido a su simplicidad, robustez y alto rendimiento. Tienen aplicación en electrodomésticos en general, neveras, congeladores, aparatos de aire acondicionado, compresores herméticos, lavadoras, motores de bombas, ventiladores y algunas aplicaciones industriales. 20

Los motores de inducción conocidos consisten generalmente en un rotor en jaula y un estator bobinado compuesto por dos devanados, uno de ellos un devanado de marcha y el otro un devanado de arranque. Durante el funcionamiento normal del compresor, el devanado de marcha se alimenta por corriente alterna, y el devanado de arranque se alimenta temporalmente, al comienzo de la operación de arranque, creándose un campo magnético 25 giratorio en el espacio de aire del estator, una condición necesaria para acelerar el rotor y provocar su arranque.

El campo magnético giratorio puede obtenerse suministrando al devanado de arranque una corriente retrasada en el tiempo respecto a la corriente que circula a través del devanado primario, preferiblemente en un ángulo próximo a 90 grados. Esta discrepancia entre la corriente que fluye en ambos devanados se consigue por las características 30 constructivas de los devanados o mediante la instalación de una impedancia externa en serie con uno de los devanados, aunque típicamente en serie con el devanado de arranque. El valor de la corriente que circula a través del devanado de arranque durante el proceso de arranque del motor es normalmente elevado, lo que hace necesario el uso de algún tipo de interruptor que interrumpa esta corriente después de que haya pasado el tiempo requerido para llevar a cabo la aceleración del motor. 35

Para motores en los que se requiere una eficiencia muy elevada, el devanado de arranque no se desconecta completamente tras finalizar el periodo de arranque, ya que un condensador denominado condensador de servicio permanece en serie con este devanado, proporcionando suficiente corriente para aumentar el par máximo del motor y su eficiencia. 40

Para motores con esta configuración utilizando una impedancia permanente en serie con el devanado de arranque durante el funcionamiento normal del motor, son conocidos varios dispositivos de arranque de tipo PTC, relé electromecánico, temporizados, así como combinaciones en las que un PTC está conectado en serie con un dispositivo que interrumpe el paso de corriente después de un período de tiempo determinado (RSP) tal como se 45 cita en los documentos de patente US 5.053.908 y US 5.051.681, y en la solicitud de patente internacional también pendiente WO 02/09624 A1, del mismo solicitante.

Uno de los componentes utilizados en el arranque de motores monofásicos "de fase dividida", donde no se utiliza condensador de servicio, es el tipo de relé electromecánico. Su amplio uso está relacionado con su bajo coste de 50 fabricación y su simplicidad tecnológica. Por otra parte, el relé electromecánico presenta una serie de limitaciones principales entre las que se encuentran la necesidad del diseño de un componente específico para cada tamaño de motor eléctrico, la imposibilidad de su uso en motores de alta eficiencia donde se utiliza un condensador de servicio, la generación de ruido electromagnético y durante su funcionamiento y el desgaste de componentes que se produce por la formación de arco eléctrico y rozamiento mecánico. 55

Una alternativa al relé electromecánico es el dispositivo de tipo PTC ("coeficiente de temperatura positivo") . Este componente se utiliza ampliamente en motores de alta eficiencia donde su aplicación está asociada a un condensador de servicio. Dado que implica el uso de un chip de cerámica sin partes móviles, su principio resuelve muchas de las limitaciones del relé electromecánico. Como que su funcionamiento se basa en el calentamiento de 60 un chip de cerámica, lo que resulta en un aumento de su resistencia y la consiguiente limitación de la corriente circulante, la disipación de energía residual se produce durante todo el período de su funcionamiento.

Otra limitación de este componente está relacionada con el intervalo de tiempo necesario entre arranques consecutivos. Una de sus principales ventajas es la posibilidad de utilizar un único componente para operar el 65 arranque de un conjunto de motores de tensión específica (115V o 220V) , pero se convierte en una limitación cuando la característica que se considera es la optimización del tiempo de activación del devanado secundario. Su tiempo de conducción es directamente proporcional al volumen del chip de cerámica e inversamente proporcional a la corriente que circula, lo que resulta en un tiempo de arranque reducido cuando se aplica a motores más grandes y un período de tiempo demasiado largo cuando se aplica a motores más pequeños. Estos dos hechos se traducen en un arranque deficiente de motores más grandes y mayor consumo de energía durante el período de arranque en 5 motores más pequeños.

Aunque los componentes de arranque temporizado eliminan el mayor inconveniente del consumo residual del PTC, éstos, sin embargo, no permiten adaptar el tiempo de arranque requerido para motores de diferentes tamaños. Su concepto no permite el dimensionamiento de un circuito que proporcione el tiempo de arranque óptimo para motores 10 de diferentes tamaños, y se hace necesario tener varios modelos, cada uno de ellos ajustado a un tiempo de funcionamiento dado y para adaptarse a una familia particular de motores eléctricos, lo que se traduce en una desnormalización, mayores cambios en las líneas de fabricación y mayores existencias. Estos dispositivos no tienen en cuenta las condiciones de funcionamiento en el momento de arranque y, por lo tanto, están dimensionados para las peores condiciones, lo que aumenta el tiempo de arranque. De los documentos US 6756756 y US 7202627 se 15 conocen circuitos de arranque para motores de inducción monofásicos.

En vista de lo anterior, la presente invención ofrece un nuevo procedimiento de arranque de motores monofásicos capaz de optimizar el tiempo de arranque de una amplia gama de motores, especialmente en términos de su potencia de funcionamiento. Además, se presenta también un dispositivo y un sistema de arranque con el fin de 20 alcanzar los objetivos de la presente invención.

Objetivos de la invención

Un primer objetivo de la presente invención es un dispositivo de arranque económico con una topología simple y 25 robusta, que permite:

i) un uso a gran escala en sistemas de bajo coste, que ofrece las ventajas de dispositivos temporizados en el cual se elimina el consumo de energía residual;

ii) reducción del número de componentes necesarios para el tratamiento con una familia específica de 30 motores de la misma tensión de alimentación;

iii) el uso de motores de alta eficiencia con condensadores de servicio, y que presenta la característica de relés electromecánicos, en el cual se optimiza el tiempo de arranque en cada tamaño diferente de motor eléctrico.

Un segundo objetivo de la presente invención es un procedimiento de arranque para motores de inducción de 35 carrera única que optimice el tiempo de arranque en función del tamaño y la carga del motor asociada al mismo.

Otro objetivo de la presente invención es un procedimiento de arranque para motores de inducción de carrera única que optimice automáticamente el tiempo de arranque respecto a la tensión de suministro de la red.

Otro objetivo de la presente invención es un dispositivo electrónico para arrancar un motor de inducción de carrera única con un consumo de energía insignificante.

Un objetivo adicional de esta invención es un dispositivo electrónico para arrancar un motor de inducción monofásico que pueda funcionar en combinación con un condensador de arranque o cualquier otra impedancia instalada en 45 serie con el devanado de arranque... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de arranque de un motor de inducción monofásico, comprendiendo el motor un rotor y un estator (M) con un devanado de marcha (B1) y un devanado de arranque (B2) , estando conectados el devanado de marcha (B1) y el devanado de arranque (B2) en paralelo a una fuente de alimentación de corriente alterna (F) , estando vinculado eléctricamente el devanado de arranque (B2) a un dispositivo de arranque (28) , comprendiendo el 5 dispositivo de arranque un interruptor de arranque (S1) que permite conectar y desconectar el devanado de arranque (B2) a/de la fuente de alimentación (F) bajo el control de un dispositivo electrónico de procesamiento de señales (30) , comprendiendo el dispositivo de arranque (28) una fuente de corriente continua (29) suministrada desde los terminales del interruptor de arranque (S1) , estando alimentado el dispositivo electrónico de procesamiento de señales (30) por la fuente de corriente continua (29) , estando caracterizado el procedimiento de 10 arranque por el hecho de que comprende las etapas de:

a-) primero medir, a través del dispositivo de arranque (28) , la tensión entre los terminales del interruptor de arranque (S1) y calcular y almacenar una base de tiempos interna (Tref) mediante el dispositivo electrónico de procesamiento de señales (30) en base a una pluralidad de instantes de tiempo detectados cuando 15 esta tensión pasa por cero antes de cerrarse el interruptor de arranque (S1) , estando sincronizada la base de tiempos interna (Tref) con la fase de la fuente de tensión eléctrica (F) , b-) cerrar el interruptor de arranque (S1) , para iniciar el suministro de corriente al bobinado de arranque (B2) del motor;

c-) medir uno o más instantes de tiempo de arranque (Tpar) de la corriente en el devanado de 20 arranque (B2) cuando ésta pasa por cero;

d-) comparar los instantes de tiempo (Tpar) donde la corriente que pasa por el devanado de arranque (B2) pasa por cero con la base de tiempos interna (Tref) ;

e-) calcular, a través del dispositivo de arranque (28) , una diferencia de fase (Df) entre la corriente que pasa por el devanado de arranque (B2) y la base de tiempos interna (Tref) en base a la comparación realizada en la 25 etapa d;

f-) abrir el interruptor de arranque (S1) en base al cálculo de la etapa e cuando el dispositivo de arranque (28) detecta una diferencia de fase (Df) entre la corriente que pasa por el devanado de arranque (B2) y la base de tiempos interna (Tref) , de un valor mayor que un límite de fase de arranque predeterminado.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por el límite de fase de arranque predeterminado que representa un estado operativo en el que el motor acelera a una velocidad de giro que se aproxima a su velocidad de funcionamiento nominal.

3. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por la apertura del interruptor de arranque 35 (S1) que se produce a partir de un comando enviado a través del dispositivo electrónico de procesamiento de señales (30) , que se encuentra contenido dentro del dispositivo de arranque (28) , en el momento en que el motor acelera a una velocidad de giro que se aproxima a su velocidad nominal.

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que comprende, además, una 40 etapa de:

g) abrir el interruptor de arranque (S1) cuando la diferencia de fase (Df) entre la corriente que pasa por el devanado de arranque (B2) y la base de tiempos interna (Tref) es mayor que un valor de fase predeterminado, que está configurado para representar un estado en el cual el motor acelera a una velocidad de giro que se 45 aproxima a su velocidad nominal tras finalizar un tiempo de arranque predefinido.

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que incluye una etapa adicional de:

h) abrir el interruptor de arranque (S1) cuando la diferencia de fase (Df) entre la corriente que pasa por el devanado de arranque (B2) y la base de tiempos interna (Tref) no muestra ningún cambio, estando configurado este estado para representar una operación en la que el motor ha completado su aceleración.

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que comprende, además, la 55 etapa de:

i) mantener el interruptor de arranque abierto hasta que la tensión de la señal de la fuente de alimentación de corriente alterna (F) es interrumpida durante un período de tiempo de interrupción (Tpara) suficiente para realizar una parada del motor. 60

7. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que comprende la etapa adicional de analizar, después del arranque del motor, los instantes de tiempo, o momentos, en que el paso por cero de la tensión se produce sobre el interruptor de arranque (S1) .

8. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por el hecho de que comprende, además, la etapa de:

- almacenar la base de tiempos interna (Tref) ; y - sincronizar la referencia interna de tiempos (Tref) con el paso por cero de la tensión del devanado de 5 arranque (B2) .

9. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por el hecho de que comprende, además, la etapa de:

- determinar la apertura del interruptor de arranque (S1) a través del dispositivo de arranque (28) donde una duración contada desde el cierre del interruptor de arranque (S1) supera un valor de tiempo máximo (Tmax) previamente definido para la terminación del arranque del motor .

10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que comprende, además, una 15 etapa de esperar cierto tiempo para el enfriamiento del motor (Tres) , y/o un tiempo de carga mínimo (Tmin) configurado para establecer el estado de carga al par suministrado por el motor, antes de comenzar un nuevo ciclo de arranque.

11. Sistema de arranque de un motor de inducción monofásico, comprendiendo el motor un rotor y un estator (M) 20 con un devanado de marcha (B1) y un devanado de arranque (B2) , estando conectados el devanado de marcha (B1) y el devanado de arranque (B2) en paralelo a una fuente de alimentación de corriente alterna (F) , estando caracterizado el sistema por el hecho de que comprende:

- un interruptor de arranque (S1) asociado eléctricamente a través de sus terminales de contacto a una 25 fuente de alimentación de corriente alterna (F) , permitiendo el interruptor de arranque (S1) conectar y desconectar el devanado de arranque (B2) a/de la fuente de alimentación de corriente alterna (F) bajo el control de un dispositivo electrónico de procesamiento de señales (30) ;

- una fuente de corriente continua (29) suministrada por los terminales de contacto del interruptor de arranque (S1) ; 30

- el dispositivo electrónico de procesamiento de señales (30) , alimentado por la fuente de corriente continua (29) y vinculado operativamente al interruptor de arranque (S1) ;

- un sensor de paso por cero de la corriente (RS) configurado para detectar períodos de tiempo o instantes de tiempo en los que la corriente del devanado de arranque (B2) pasa por cero; y - un sensor de paso por cero de la tensión (VS) en los terminales del interruptor de arranque (S1) 35 configurado para detectar períodos de tiempo o instantes de tiempo en los que la tensión entre los terminales del interruptor de arranque (S1) pasa por cero;

- estando configurado el sistema de manera que se mide la tensión entre los terminales del interruptor de arranque (S1) y el dispositivo electrónico de procesamiento de señales (30) calcula y almacena una base de tiempos interna (Tref) en base a una pluralidad de instantes de tiempo detectados cuando esta tensión pasa por cero 40 antes de cerrarse el interruptor de arranque (S1) , estando sincronizada la base de tiempos interna (Tref) con la fase de la fuente de alimentación de tensión alterna (F) , - estando configurado el sistema para cerrar el interruptor de arranque (S1) para iniciar el suministro de corriente al devanado de arranque (B2) del motor;

- estando configurado el sistema para abrir el interruptor de arranque (S1) al detectar de una diferencia 45 de fase (Df) entre la corriente que pasa por el devanado de arranque (B2) y la base de datos interna (Tref) de un valor que excede un límite de fase de arranque predeterminado.

12. Sistema de arranque de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado por la apertura del interruptor de arranque (S1) que se establece cuando la diferencia de fase (Df) calculada sobrepasa un límite de fase 50 predeterminado (Lfase) .

13. Sistema de arranque de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que el interruptor de arranque (S1) , la fuente de alimentación de corriente continua (29) , el dispositivo electrónico de procesamiento de señales (30) del sensor de paso por cero de la corriente (RS) y un sensor de paso por cero de la tensión (SV) 55 forman, en combinación, un dispositivo de arranque (28) .

14. Sistema de arranque de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado por un primer terminal de alimentación (1) de la fuente de alimentación de corriente alterna (F) que está vinculado eléctricamente a un primer terminal de equipo (45) del devanado de marcha (B1) y un primer terminal interruptor (S1') del interruptor de arranque (S1) . 60

15. Sistema de arranque de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado por el primer terminal de alimentación (1) que está vinculado a un primer terminal de corriente continua (27) de la fuente de corriente continua (29) .

16. Sistema de arranque de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado por el dispositivo electrónico de procesamiento de señales (30) que está vinculado operativamente al interruptor de arranque (S1) a través de un terminal de control (26) del interruptor de arranque (S1) .

17. Sistema de arranque de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado por el dispositivo electrónico de 5 procesamiento de señales (30) que crea una base de tiempos interna (Tref) a través de un dispositivo de arranque (28) , y este tiempo de referencia sincronizado con una fase de señal de tensión alterna de la fuente de alimentación de corriente alterna (F) .

18. Sistema de arranque de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado por el dispositivo electrónico de 10 procesamiento de señales (30) que determina el momento de apertura y cierre del interruptor de arranque (S1) en base a una diferencia de fase (Df) calculada entre la fase de corriente que pasa por el devanado de arranque (B2) y la fase de tensión en la fuente de corriente alterna (F) .

19. Sistema de arranque de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado por el dispositivo electrónico de 15 procesamiento de señales (30) que está configurado para mantener el interruptor de arranque (S1) en estado abierto hasta que la corriente suministrada por la fuente de corriente alterna (F) se interrumpe durante un período de tiempo que caracteriza la detención del motor.

20. Sistema de arranque de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que comprende un 20 condensador de servicio (CR) dispuesto en paralelo a los terminales del devanado de marcha (B1) y el devanado de arranque (B2) del estator (M) , con el fin de proporcionar una diferencia de fase entre las corrientes que pasan por el devanado de marcha (B1) y de arranque (B2) .