ES2232555T3 - Motor electrico con control electronico. - Google Patents
Motor electrico con control electronico.Info
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Abstract
Un motor eléctrico (100) que comprende: - un estator (20) que comprende un conjunto de arrollamientos (bobinas) y montado integralmente sobre una carcasa (10) del motor, - un rotor (30) situado en el interior del estator (20) y montado para que gire sobre la carcasa (10), - un control electrónico (80) para controlar el funcionamiento del motor, que comprende: - un medio detector (81) para detectar la posición de dicho rotor y la velocidad rotacional de dicho rotor, - unos medios interruptores (S1, S2) capaces de abrir y cerrar un circuito eléctrico de alimentación para enviar una señal de tensión alterna a los arrollamientos del estator para suministrarla a los mismos, - un microprocesador (83) conectado a dicho medio detector para recibir señales del mismo indicando la posición del rotor, y a dichos medios interruptores para controlar la apertura y cierre de los mismos, de manera que generen una señal de tensión alterna para suministrarla a los arrol lamientos del estator, - una etapa de entrada de rectificación (84) para convertir la tensión alterna de la fuente de alimentación principal en una tensión de impulsos de una sola vía, - una etapa uniforme intermedia (C1, C2) para convertir dicha tensión de impulsos de una sola vía que sale de la etapa de entrada en una tensión continua uniforme, y - una etapa de salida de la conmutación que comprende a dichos medios interruptores (S1, S2) para convertir dicha salida de tensión continua de la etapa intermedia en una tensión alterna para suministrarla a los arrollamientos del estator.
Description
Motor eléctrico con control electrónico.
La presente invención se refiere a un motor
eléctrico con control electrónico y, particularmente, a un motor
eléctrico sincrónico con un rotor de imán permanente.
Según se conoce en la técnica, un motor eléctrico
que sirve para convertir la energía eléctrica absorbida en energía
mecánica. El motor eléctrico comprende una pieza giratoria, llamada
rotor, integrada con un eje al cual deberá transmitirse la energía
mecánica. El rotor está alojado dentro de una pieza fija del motor
llamada el estator.
El rotor y el estator comprenden unos conjuntos
de arrollamientos (bobinas). Estos son unos arrollamientos de
excitación diseñados para ser atravesados por unas corrientes
eléctricas que generan una fuerza magnética de accionamiento
necesaria para crear un flujo magnético de inducción y un
arrollamiento de inducido diseñado para ser atravesado por
corrientes eléctricas las cuales, estando en el campo magnético de
inducción originan una combinación de acciones mecánicas que
contribuyen a proporcionar un par de fuerza sobre el eje de rotación
del rotor. A modo de ejemplo, se hará aquí una referencia específica
a un motor eléctrico sincrónico con un rotor de imán permanente,
comprendiéndose que la invención se extiende también a unos motores
asincrónicos con rotores que no tienen una estructura magnética.
Particularmente, el motor sincrónico con un rotor
de imán permanente comprende un rotor que consta de unos imanes
permanentes y un estator que transporta unos arrollamientos
alimentados con corriente alterna para determinar un campo magnético
giratorio. El rotor, gracias a su polarización magnética, está
situado en el campo magnético giratorio generado por el estator,
tiende a girar a la velocidad de sincronismo, impuesta por la
corriente alterna absorbida desde la fuente de alimentación
principal.
El problema principal de los motores eléctricos
sincrónicos con un rotor de imán permanente es que no son de
arranque automático (autoarranque), por lo tanto, deberán estar
acoplados con otro motor de arranque o con un circuito electrónico
el cual controla el arranque del motor.
Otro problema de los motores eléctricos
sincrónicos es que no son muy versátiles, dado que deberán estar
accionados exclusivamente a la frecuencia impuesta por la fuente de
alimentación principal (frecuencia de sincronismo).
Otro de los problemas de los motores eléctricos
está representado por la posibilidad de que el rotor se bloquee. De
hecho, el rotor puede bloquearse principalmente a través de un fallo
mecánico, tal como la ruptura de un rodamiento o de un buje
(casquillo) interpuestos entre el rotor y el estator, o debido, por
ejemplo, a la presencia de un cuerpo extraño que bloquea el
ventilador, el cual es accionado por el eje de accionamiento. Los
motores eléctricos de acuerdo con la técnica anterior no tienen
ningún sistema de protección contra el bloqueo del rotor.
El documento de patente EP 1 130 757 revela un
circuito de control para un motor eléctrico con un rotor de imán
permanente. Dicho circuito de control comprende un interruptor
diseñado para conmutar desde una condición de arranque hasta una
condición de marcha del rotor del motor.
El documento de patente EP 1 052 764 revela el
uso del sensor magnético de efecto Hall diseñado para detectar la
posición de un rotor de imán permanente. El documento de patente EP
1 052 764 revela adicionalmente un procedimiento para controlar el
bloqueo del rotor.
El documento de patente FR 2 458 933 revela un
motor de CA sin colector. El circuito de control de dicho motor
tiene un rectificador de puente de diodo, un capacitador de
filtración y cuatro transistores.
Uno de los objetos de la presente invención es el
de eliminar los problemas de la técnica anterior, proporcionando un
motor eléctrico con un control electrónico que permita arrancar y
accionar el motor con una tensión alterna a cualquier frecuencia,
independientemente de la frecuencia de la fuente de alimentación
principal.
Otro de los objetos de la invención es el de
proporcionar un motor eléctrico con un control electrónico el cual
proporciona un sistema de protección contra el bloqueo del
rotor.
Estos objetos se alcanzarán de acuerdo con la
invención con las características listadas en la reivindicación 1,
independiente, adjunta.
Unas realizaciones ventajosas de la invención se
harán evidentes a través de las reivindicaciones adjuntas.
El motor eléctrico de acuerdo con la invención
comprende un control electrónico capaz de controlar los distintos
modos de operación del motor. El control electrónico comprende un
sensor para detectar la posición y rotación del rotor, un
microprocesador que recibe las señales del sensor que indican la
posición del rotor y la velocidad rotacional del rotor y dos
interruptores controlados por el microprocesador para enviar una
entrada de tensión alterna a los arrollamientos (bobinas) del
motor.
Gracias a este sistema de control electrónico se
pueden implementar varias funciones del motor.
El sensor, al detectar la posición del rotor,
permite que dicho rotor arranque sin que sea necesario un motor de
arranque adicional.
Además, el microprocesador, al controlar el
período de encendido y apagado de los interruptores, es capaz de
variar la frecuencia de la tensión de alimentación que va a ser
aplicada al motor, independientemente de la frecuencia de la tensión
principal.
Además, el dispositivo de sincronización es capaz
de sincronizar la frecuencia de la tensión de alimentación del motor
con la frecuencia de la fuente de la tensión principal, permitiendo
un control preciso de la velocidad rotacional del rotor el cual está
conectado a la frecuencia de la tensión de alimentación de potencia
principal.
Además, el control electrónico de acuerdo con la
invención permite un procedimiento contra el bloqueo del rotor que
va a ser implementado. De hecho, si dentro de un período
predeterminado la velocidad del rotor no sobrepasa un umbral de
velocidad predeterminado, esto indica que el rotor está bloqueado;
por lo tanto el microprocesador mantiene los interruptores apagados
de manera que no activen el motor, evitando cualquier daño al rotor
debido a un intento de forzar el rotor a girar. Este procedimiento
de control del bloqueo del rotor puede ser repetido hasta un número
predeterminado de veces, para comprobar si ha ocurrido o no, un
bloqueo accidental.
Otras características adicionales de la invención
se revelarán con mayor claridad por la descripción detallada
siguiente, haciendo referencia a una realización de la misma,
simplemente como ejemplo y, por lo tanto, no limitativa, ilustrada
en los dibujos adjuntos, en los que:
la Figura 1 es una vista en perspectiva
despiezada que ilustra un motor eléctrico de acuerdo con la
invención,
la Figura 2 es una vista en perspectiva
despiezada del motor eléctrico de la Figura 1, tomada desde otro
ángulo,
la Figura 2A es una vista en perspectiva
despiezada, que ilustra las dos medias cubiertas de la carcasa del
motor eléctrico de acuerdo con la invención,
la Figura 3 es una diagrama eléctrico que ilustra
el control electrónico del motor de acuerdo con la invención,
la Figura 4 es un diagrama de la corriente que
ilustra las distintas fases de operación del control electrónico de
acuerdo con la invención.
El motor eléctrico con control electrónico de
acuerdo con la invención se describirá con la ayuda de las
figuras.
En las Figuras 1 y 2, se ilustra un motor
eléctrico de acuerdo con la invención, designado en su conjunto por
el número de referencia 100. El motor 100 comprende una carcasa 10
que consta de una primera media cubierta 11 y una segunda media
cubierta 12. Las dos medias cubiertas 11 y 12 están ensambladas por
medio de unas barras de fijación 13, para generar dentro de ellas
una cámara cilíndrica para contener los miembros del motor. El eje
de la carcasa 10 es designado con la letra A. La media cubierta 12
tiene un orificio axial 14 a través del cual sale el eje de
accionamiento.
Los miembros del motor comprenden un estator 20 y
un rotor 30.
El estator 20, de forma substancialmente
cilíndrica, tiene un orificio axial 21 destinado para recibir el
rotor 30 y cuatro recesos periféricos 22 para recibir los
arrollamientos del estator (no mostrados). El estator 20 está
intercalado entre un primer soporte aislante rígido 40 y un segundo
soporte aislante rígido 50.
El primer soporte aislante 40 tiene un orificio
axial 41 que coincide con el orificio 21 del estator 20 y cuatro
ranuras 42 que coinciden con las ranuras 22 del estator 20. El
segundo soporte aislante 50 tiene también cuatro ranuras 52 que
coinciden con las ranuras 22 del estator 20.
El estator 20 tiene sobre su superficie
cilíndrica cuatro ranuras acanaladas 23, una mitad de las mismas se
conecta dentro de la segunda media cubierta 12 de la carcasa 10 y la
otra mitad dentro de la primera media cubierta 11. De esta manera,
el estator 20 está dispuesto axialmente en el interior de la carcasa
10 y es integral con la misma.
El rotor 30 tiene una forma substancialmente
cilíndrica, con un diámetro menor que el diámetro del orificio axial
21 del estator 20, de manera que sea capaz de situarse dentro del
mismo. El rotor 30 es un rotor de imán permanente, conocido por sí
mismo en la técnica y, por lo tanto, no está descrito adicionalmente
con mayor detalle.
El rotor 30 comprende un eje 31 dispuesto
axialmente e integral con el mismo. El eje 31 del rotor se conecta
(traba) mediante unos rodamientos o bujes 15 (véase la Figura 2A)
fijados con un muelle 16, en el interior de la media cubierta 12 de
la carcasa y con una brida 17 de manera que el eje 31 pueda salir
por el orificio axial 14 de la media cubierta 12, para que se pueda
aplicar una carga al mismo. La brida 17 es aplicada en el exterior
de la carcasa 10 para soportar un ventilador.
Según se conoce en la técnica, un motor eléctrico
con un rotor de imán permanente deberá tener un sistema de arranque
que permita la puesta en marcha de la rotación del rotor.
Generalmente, dicho sistema de arranque puede estar provisto de un
control electrónico.
El control electrónico del motor 100 de acuerdo
con la invención se describirá a continuación.
Una pantalla o blindaje de protección 60 que
forma parte del control electrónico está montada alrededor del eje
31, en la parte posterior del rotor 30. La pantalla 60, según se
muestra en la Figura 2, tiene dos paredes de protección 61, en forma
de placas curvas, que están dispuestas de una manera diametralmente
opuestas entre sí y que tienen un eje normal R que coincide
substancialmente con un eje radial del eje del rotor 31.
La electrónica (aparatos electrónicos) del
control electrónico del motor, designada en su conjunto con el
número de referencia 80, está dispuesta sobre una placa o tablero 70
apropiada para fijarse sobre el segundo soporte aislante rígido 50.
Con este fin, el segundo soporte aislante 50 tiene cuatro ganchos 53
diseñados para conectarse en los cuatro orificios 73 formados en la
periferia de la placa 70. El segundo soporte aislante 50 tiene
cuatro lengüetas rectangulares 54 diseñadas para apoyarse contra la
superficie periférica de la placa 70 para aislar la electrónica 80
de los arrollamientos (no mostrados) del estator 20.
El motor 100 comprende un conector eléctrico 2
conectado a un cable de potencia 3 con un enchufe macho (no
mostrado) para su conexión a la fuente de alimentación de potencia
principal. El conector 2 tiene un terminal 4 el cual se conecta a un
elemento conector complementario provisto en el tablero 70 para
accionar la electrónica 80. El conector 2 puede conectarse
directamente al tablero 70 a través de unos conectores apropiados
para transportar el suministro de potencia a los distintos
componentes electrónicos.
La electrónica 80 comprende un sensor de posición
81, del tipo óptico, dispuesto sobre una superficie 71 de la placa
70 enfrentado hacia el estator 20. El sensor de posición 81 tiene
forma de horquilla con dos brazos que definen una abertura 82, de
manera que permita el paso de las superficies de protección 61 de la
pantalla 60, cuando el rotor 30 gire alrededor de su propio eje.
El sensor óptico 81 comprende un fotodiodo
(transmisor) capaz de emitir una señal luminosa y un fototransistor
(receptor) capaz de recibir la señal luminosa emitida por el
fotodiodo. El receptor emite además una señal de tensión de salida
indicadora de la señal luminosa recibida.
El transmisor y el receptor están dispuestos,
respectivamente, sobre los dos brazos de la horquilla del sensor
óptico 81. De esta manera, cuando la superficie de protección 61
pasa a través de la abertura de aire 82 del sensor óptico 81, se
interrumpe entonces la señal luminosa recibida por el receptor. De
esta manera, durante la rotación del motor existe un tren de
impulsos de salida del receptor del sensor óptico cuya frecuencia es
igual a la frecuencia de rotación del rotor 30.
Como una alternativa al sensor óptico 81, puede
estar provisto un sensor magnético con un efecto Hall, el cual
detecta el campo magnético producido por los imanes permanentes
situados sobre el rotor 30. En este caso, no está provista la
pantalla 60 sobre el eje 31 del rotor 30. Este sensor magnético
puede estar situado en el interior de la armadura del estator y
enfrentado hacia el rotor 30, conectado después por medio de un
cable eléctrico al tablero 70 en el cual está instalada la
electrónica 80.
De esta manera, durante la rotación del rotor 30,
la alternancia del polo positivo y del polo negativo del campo
magnético generado por los imanes permanentes produce un tren de
impulsos de salida desde el sensor magnético con una frecuencia
igual a la frecuencia de rotación del rotor.
La Figura 3 ilustra un diagrama eléctrico de la
electrónica 80 para poner en funcionamiento el motor 100. El sensor
81 está conectado a una unidad de control 83 que consiste en un
microprocesador. El microprocesador 83 controla dos interruptores
electrónicos S1 y S2 los cuales abren y cierran el circuito de
alimentación eléctrica de los arrollamientos del motor 100.
Los interruptores S1 y S2 pueden ser, por
ejemplo, dos transistores MOSFET y el microprocesador 83 tiene dos
pasadores de salida conectados a los respectivos electrodos de
barrera de los transistores MOSFET S1 y S2 para controlar el
encendido y apagado de los mismos. Encendido quiere decir cuando el
MOSFET está en el área de conducción y el circuito está cerrado,
apagado quiere decir cuando el MOSFET está en el área de
interrupción y el circuito está abierto. Dos diodos de recirculación
D3 y D4 están situados en paralelo a los transistores MOSFET S1 y
S2, respectivamente.
La alimentación eléctrica al motor 100 se realiza
por medio de una conexión con la fuente de alimentación de potencia
principal 90. Una tensión alterna sinusoidal Vi está tomada desde la
fuente de alimentación principal y enviada a una etapa de potencia
de entrada, que consta de un circuito rectificador 84 que comprende
dos diodos D1 y D2. El circuito rectificador 84 sirve para
transformar la tensión principal alterna Vi en una tensión de
impulsos de una sola vía.
En la salida del circuito rectificador 84 están
provistos dos capacitadores uniformes C1, C2 que sirven para
convertir la tensión de impulsos en una tensión continua (por lo
menos como una primera aproximación) la cual constituye la tensión
de rejilla de los MOSFETs S1 y S2. De hecho, según se conoce en la
técnica, los MOSFETs deberán ser suministrados con una tensión
continua.
Dado que el motor 100 es un motor sincrónico con
un rotor de imán permanente, es capaz de enviar un par de fuerza
electromotriz solamente si es suministrado con una tensión alterna.
Si el motor 100 es alimentado a una tensión constante, parecida a la
tensión de salida de los capacitadores uniformes C1 y C2, no va a
ser capaz de arrancar.
El objeto del control electrónico es el de
permitir que el motor 100 funcione a una velocidad variable,
independientemente de la frecuencia impuesta por la fuente de
alimentación principal 90. Esto es posible a través de la creación
de una etapa intermedia que consta de unos capacitadores uniformes
C1 y C2 los cuales convierten la tensión principal alterna en
tensión continua, y de una etapa de inversión adicional que consta
de los interruptores S1 y S2 los cuales permiten la producción de
una tensión de alimentación alterna, a una frecuencia variable, a
partir de una tensión continua.
El sensor 81 actúa como un transductor de
posición angular y proporciona información sobre la posición del
rotor 30. De acuerdo con la información recibida desde el sensor 81,
el microprocesador 83 permite abrir o cerrar alternativamente los
interruptores S1 y S2, de manera que presenten una tensión alterna
como la entrada al motor 100, con el cambio de fase necesario con
respecto al flujo magnético del rotor 30 para asegurar el desarrollo
del par de fuerza de la aceleración del rotor 30 y permitir que el
motor arranque.
De esta manera, el rotor se acelerará hasta
alcanzar una velocidad que representa el estado de equilibrio entre
el par de fuerza motriz impartido al rotor 30 y el par de fuerza de
resistencia de la carga impuesta sobre el eje 31 del rotor. El
diagrama de circuitos ha sido diseñado de manera que no requiera
elementos de disipación para amortiguar las sobretensiones
conmutadas impartidas por los interruptores S1 y S2. Esto permite
que se alcancen unas prestaciones completamente altas en el
funcionamiento del motor.
La operación del motor 100 con el control
electrónico de acuerdo con la invención se describirá a
continuación. El control electrónico permite varias funciones.
Una primera función está representada por la
protección contra el bloqueo del rotor.
Cuando el motor 100 está conectado a la fuente de
alimentación eléctrica principal 90, entonces el microprocesador 83
comienza a accionar los interruptores S1 y S2 de manera que se
accione el motor 100 para ajustarlo en rotación. Al mismo tiempo, el
sensor 81 detecta cualquier rotación del rotor 30 y, por lo tanto,
envía unas señales al microprocesador 83. Si, dentro de un período
de tiempo predeterminado, la velocidad de rotación del rotor no
sobrepasa un umbral de velocidad predeterminado, esto significa que
el rotor está bloqueado mecánicamente o que la carga aplicada al eje
de accionamiento es alta, o bien, que la fricción entre los miembros
de giro y de deslizamiento del motor es excesiva. Por lo tanto, el
microprocesador 83 cesa de accionar los interruptores S1 y S2,
interrumpiendo así la alimentación de potencia al motor.
Consecuentemente, el rotor no es forzado a girar, evitándose así un
sobrecalentamiento seguido por la avería del estator 20.
El procedimiento de arranque del motor se repite
para observar si ha ocurrido un bloqueo accidental. Si al tercer
intento no se puede arrancar el motor, entonces el microprocesador
83 pasa al estado de pausa y ya no acepta las señales de control
para controlar los interruptores S1 y S2. El microprocesador 83
puede abandonar su estado de pausa solamente si se interrumpe la
alimentación de potencia.
Otra de las funciones del motor eléctrico con
control electrónico de acuerdo con la invención está representada
por el control de la velocidad de rotación del rotor. Están
provistos tres modos posibles de control de la velocidad (el modo de
velocidad libre, el modo de velocidad controlada, el modo de
velocidad sincrónica).
El modo de velocidad libre. En este primer modo
de operación, el microprocesador 83 acciona el motor 100 a la máxima
tensión disponible. De esta manera, el rotor 30 se acelera hasta que
alcanza una velocidad variable que es proporcionada por el balance
mecánico entre el par de fuerza de resistencia de la carga sobre el
eje de accionamiento y el par de fuerza motriz. Esta es la velocidad
máxima que el motor puede alcanzar con esa carga proporcionada.
El modo de velocidad controlada. En este segundo
modo de operación, el microprocesador 83 acciona el motor 100 a una
tensión variable, para acelerar el rotor 30 hasta que alcanza una
velocidad predeterminada. Para mayor claridad, la velocidad
predeterminada es menor que la que puede ser alcanzada con el primer
modo de operación, dado que la tensión de alimentación al motor es
menor que la tensión de alimentación máxima impartida por la fuente
de alimentación principal.
Con el modo de velocidad controlada se alcanza
una doble ventaja. Una primera ventaja está representada por la
posibilidad de mantener bajo control la velocidad de rotación del
rotor. Este es un factor muy importante si el motor opera como un
ventilador y es necesario entonces controlar el flujo de aire.
Una segunda ventaja está representada por la
posibilidad de limitar el consumo de potencia del motor, evitando
que funcione innecesariamente a la tensión de alimentación
máxima.
El modo de velocidad sincrónica. En este tercer
modo de operación el microprocesador 83 acciona el motor 100 a una
tensión variable, de manera que el rotor se acelere con los mismos
modos descritos en el modo de velocidad controlada, hasta que el
rotor 30 alcanza la velocidad sincrónica impuesta por la fuente de
alimentación principal.
Según se conoce en la técnica, la fuente de
alimentación principal 90 proporciona una tensión sinusoidal alterna
Vi que tiene una frecuencia de 50 Hz para Europa o de 60 Hz para
USA. Dicha frecuencia se mantiene por la potencia eléctrica
proporcionada dentro de unos límites de tolerancia muy restringidos
con unas variaciones máximas de \pm 1%. Si un motor de imán
permanente sincrónico estuviera accionado directamente a la tensión
principal Vi, su velocidad rotacional sería entonces igual a la
frecuencia de alimentación principal dividida entre el número de
pares de polos del motor. En este caso, el motor tiene en el extremo
un arrollamiento del estator con dos pares de polos, de esta manera
su velocidad rotacional sería de 1500 r.p.m. (velocidad de
sincronismo impuesta por la fuente de alimentación principal).
Una vez que el rotor 30 alcance una velocidad
cercana a la velocidad de sincronismo impuesta por la fuente de
alimentación principal, según se muestra en la Figura 3, un circuito
electrónico de sincronización 85, conocido en la técnica por sí
mismo y, por lo tanto, no descrito más detalladamente, detecta los
contactos a cero de la tensión, de la tensión de alimentación
sinusoidal Vi. El circuito de sincronización 85 hace que salgan los
impulsos sincrónicos en los contactos a cero de la tensión
detectados, de esta manera dicho circuito emite un tren de impulsos
a la frecuencia de la fuente de alimentación principal.
Estos impulsos sincrónicos son enviados al
microprocesador 83. El microprocesador 83 de acuerdo con los
impulsos sincrónicos recibidos, controla el encendido y apagado de
los interruptores S1 y S2, enviando así al motor una tensión
alterna, en forma de onda cuadrada, a la misma frecuencia que la
frecuencia de la tensión de alimentación principal y puesta en fase
con los mismos. De esta manera, se obtiene un control preciso de la
velocidad de rotación del rotor, el cual está conectado al
sincronismo de la fuente de alimentación principal.
Esta tercera modalidad de operación, comparada
con la primera y segunda modalidades de operación, tiene una ventaja
considerable en relación con el ajuste del tamaño de los
capacitadores uniformes C1 y C2.
De hecho, en la primera y segunda modalidades de
operación, no existe una relación temporal entre el momento en el
que el microprocesador 83 suministra una fase del motor 100 y los
patrones del flujo de la tensión de alimentación Vi. Esto significa
que, por lo general, el motor tiene que ser accionado y, por lo
tanto, proporcionar energía a veces cuando la tensión de
alimentación esté cercana a cero. En estas situaciones, depende de
los capacitadores uniformes C1 y C2 el proporcionar energía al motor
y, por lo tanto, estos capacitadores están relacionados con unas
corrientes con un alto valor de la raíz cuadrada de la media de los
valores. De esta manera, en el caso del motor que está siendo
alimentado con una tensión que tiene una frecuencia distinta de la
frecuencia de la tensión de la fuente de alimentación principal, se
efectuará entonces el encendido de los interruptores S1 y S2 en unos
tiempos no relacionados enteramente con respecto a los contactos a
cero de la tensión de la fuente de alimentación principal.
Por otra parte, al mantener la velocidad del
motor conectada con el sincronismo de la fuente de alimentación
principal, es posible suministrar una fase al motor solamente cuando
exista una media onda de la misma polaridad que la de la tensión de
alimentación. Es decir, que el encendido de los interruptores S1 y
S2 se efectuará exactamente en los contactos a cero de la tensión de
la fuente de alimentación principal. De esta manera, la media onda
positiva de la tensión de alimentación del motor estará puesta en
fase con la media onda positiva de la tensión de la fuente de
alimentación principal y lo mismo se aplicará para las medias ondas
negativas, respectivas.
De esta manera, la energía requerida actualmente
para accionar el motor se toma directamente de la fuente de
alimentación principal 90, reduciendo drásticamente la corriente
efectiva comprendida en los capacitadores uniformes C1 y C2.
Además, este tercer modo de operación tiene la
ventaja de evitar las oscilaciones de la potencia absorbida que
ocurren en el segundo modo de operación, cuando la velocidad
rotacional del rotor impuesta por el operador esté cercana a la
velocidad de sincronismo impuesta por la fuente de alimentación
principal.
Un diagrama de la corriente que explica
adicionalmente la operación del motor 100, está ilustrado a
continuación haciendo referencia a la Figura 4.
La primera etapa 201 se lleva a cabo cuando el
motor 100 está conectado al suministro de potencia y comprende un
procedimiento de reajuste en el cual se reajustan todas las
variables controladas por el microprocesador 83. En la siguiente
etapa 202, el microprocesador 83 está en pausa durante un período
suficientemente largo, por ejemplo 500 ms, para permitir la
estabilización de la tensión de la fuente de alimentación
principal.
Una vez que este período de pausa ha terminado,
en la etapa 203 el microprocesador 83 garantiza que los
interruptores S1 y S2 están apagados.
En la etapa 204, el programa electrónico procede
a inicializar las variables controladas por el microprocesador 83.
El programa puede seleccionar el modo de operación del motor (modo
de velocidad libre, modo de velocidad controlada, modo de velocidad
sincronizada). En caso de que se seleccione el modo de velocidad
regulada, el programa inicia entonces la variable relacionada con la
velocidad del motor deseada y, por lo tanto, con la rampa de
aceleración relativa.
En este punto, en la etapa 205, el sensor 81
detecta la posición del rotor 30. Es decir que, si la superficie de
protección 61 de la pantalla 60 está situada en el interior de la
horquilla del sensor 81, el receptor del sensor no recibe entonces
ninguna señal del transmisor y, por lo tanto, no envía ninguna señal
al microprocesador 83, indicando así que el rotor 30 está en la
posición en la cual la superficie de protección está situada en el
interior de la horquilla del sensor.
La etapa 206 se ejecutará a continuación, en la
cual se comprueba si el rotor 30 está conectado a la fuente de
alimentación principal. Es decir, que el dispositivo 85 para
detectar el contacto a cero lee el patrón de la tensión de la fuente
de alimentación principal Vi. Si se detecta un contacto a cero de la
tensión de la fuente de alimentación principal Vi, entonces el
dispositivo 85 de detección del contacto a cero envía una señal de
control al microprocesador 83 el cual ejecuta la etapa 207, en la
cual éste enciende el interruptor S2.
Si el dispositivo 85 de detección del contacto a
cero no detecta un contacto a cero de la tensión de la fuente de
alimentación principal Vi, no envía entonces ninguna señal de
control al microprocesador 83. El microprocesador 83 ejecuta la
etapa 208, en la cual está en pausa del sincronismo de la fuente de
alimentación principal. Es decir, que el procesador 83 espera a que
la tensión de alimentación Vi contacte a cero a fin de ejecutar la
etapa 207 en la cual enciende el interruptor S2.
De igual manera, si en la etapa 205 el receptor
del sensor recibe la señal del transmisor, esto significa que la
superficie de protección 61 no está comprendida dentro de la
horquilla del sensor. En base a ésto, el receptor del sensor envía
una señal de control al microprocesador 83 la cual identifica la
posición del rotor, en el cual la superficie de protección 61 no
está comprendida dentro de la horquilla del sensor. En este punto,
se ejecutará una etapa 206' substancialmente idéntica a la etapa
206, en la cual se comprueba si el rotor 30 está conectado a la
fuente de alimentación principal.
Si en la etapa 206' el rotor demuestra que está
conectado a la fuente de alimentación principal, el microprocesador
recibe entonces una señal de control y ejecuta la etapa 209, en la
cual controla el encendido del interruptor S1.
Si en la etapa 206' el rotor no está conectado a
la fuente de alimentación principal, entonces el microprocesador no
recibe ninguna señal de control y ejecuta la etapa 208',
substancialmente idéntica a la etapa 208, en la cual espera por el
sincronismo de la fuente de alimentación principal.
Después de las etapas 207 y 209 en las cuales los
interruptores S1 y S2 están encendidos, se ejecuta la etapa 210 en
la cual se espera a que se apaguen los interruptores. Obviamente, si
los interruptores S1 y S2 son dos MOSFETs, entonces el período que
pasa entre el encendido y el apagado del interruptor es equivalente
al ciclo de tarea del MOSFET.
Después de la etapa 210 viene la etapa 211 en la
cual los dos interruptores S1 y S2 están apagados. El encendido y
apagado de los interruptores S1 y S2 ha enviado al motor una tensión
alterna de onda cuadrada con una frecuencia igual a la frecuencia de
la tensión de la fuente de alimentación principal Vi. De esta
manera, si el rotor 30 no está bloqueado, en virtud de dicha tensión
podría comenzar a girar y a moverse desde la posición de
arranque.
De esta manera, el sensor 81 detecta el paso de
la superficie de protección 61 y cada paso de la superficie de
protección corresponde a una revolución del motor. En cada
revolución del rotor 30, el microprocesador incrementa un contador,
el cual cuenta el número de revoluciones del motor.
En este punto, se implementa el procedimiento de
control de bloqueo del rotor. Después de la etapa 211 en la cual los
interruptores S1 y S2 están cerrados, el microprocesador 83, por
medio de la etapa 212, controla el contenido del cuenta revoluciones
del motor. Si el contenido del contador es menor que un valor
predeterminado, esto significa que el rotor no ha completado las
revoluciones que debería haber completado bajo condiciones normales,
de lo cual se deduce que el rotor 30 está bloqueado.
En este punto el microprocesador ejecuta la etapa
213, en la cual hace una pausa durante un cierto intervalo de
tiempo, por ejemplo 3 segundos, esperando un posible retorno a las
condiciones normales de operación.
La etapa 214 se ejecutará entonces, en la cual el
microprocesador almacena en una variable el número de intentos
fallidos en el arranque del motor y comprueba si esta variable
sobrepasa o no, un umbral de intentos preajustado, por ejemplo tres
intentos. Si el umbral de intentos predeterminado no ha sido
sobrepasado, entonces se vuelve a la etapa 205, a fin de iniciar un
nuevo intento para arrancar el rotor 30.
Si el umbral de intentos preajustado ha sido
sobrepasado, entonces el microprocesador 83 ejecuta la etapa 215, en
la cual introduce un circuito cerrado sin fin y no puede recibir
otros comandos. El procesador abandona el circuito cerrado sin fin
215 si se interrumpe la alimentación de potencia y, de esta manera,
se restaura nuevamente dicha alimentación al iniciar la etapa 201 de
reajuste.
Si en la etapa 212 el valor del cuenta
revoluciones del motor es mayor que el valor umbral de revoluciones
predeterminado, esto significa que el rotor 30 no está bloqueado y
comienza entonces la etapa 216 en la cual el microprocesador
comprueba las variables de iniciación que identifican el tipo de
modalidad de operación del motor fijado por el operador.
Si el usuario no ha fijado ningún ajuste de la
velocidad del rotor, se ejecutará entonces a continuación la etapa
217, en la cual se incrementa el ciclo de la tarea de control de los
interruptores S1 y S2, es decir que se incrementará también el valor
de la raíz cuadrada de la media de los valores de la tensión que
accionará al rotor para ajustarlo en rotación. Después de la etapa
217, se repite la etapa 205 para sincronizar la velocidad de
rotación del rotor con la frecuencia de la tensión de la fuente de
alimentación principal.
Si en la etapa 216 el microprocesador detecta que
el usuario ha fijado la modalidad de operación a una velocidad
controlada y que ha fijado una variable con el valor de la velocidad
de rotación del rotor deseada, se ejecuta entonces la etapa 218.
En la etapa 218, disminuye el ciclo de la tarea
de control de los interruptores S1 y S2. Es decir, que de acuerdo
con el preajuste programado de la velocidad, el valor de la raíz
cuadrada media de los valores de la tensión que accionará al rotor
decrecerá hasta que el rotor vuelva a la velocidad preajustada.
Después de la etapa 218, se repite la etapa 205 para sincronizar la
velocidad de rotación del rotor con la frecuencia de la tensión de
la fuente de alimentación principal.
Numerosas variaciones y modificaciones de los
detalles comprendidos dentro del alcance de una persona experta en
la técnica se pueden realizar a la presente invención, sin que con
esto se aparte del campo de la invención, descritas en las
reivindicaciones adjuntas.
Claims (15)
1. Un motor eléctrico (100) que comprende:
- -
- un estator (20) que comprende un conjunto de arrollamientos (bobinas) y montado integralmente sobre una carcasa (10) del motor,
- -
- un rotor (30) situado en el interior del estator (20) y montado para que gire sobre la carcasa (10),
- -
- un control electrónico (80) para controlar el funcionamiento del motor, que comprende:
- -
- un medio detector (81) para detectar la posición de dicho rotor y la velocidad rotacional de dicho rotor,
- -
- unos medios interruptores (S1, S2) capaces de abrir y cerrar un circuito eléctrico de alimentación para enviar una señal de tensión alterna a los arrollamientos del estator para suministrarla a los mismos,
- -
- un microprocesador (83) conectado a dicho medio detector para recibir señales del mismo indicando la posición del rotor, y a dichos medios interruptores para controlar la apertura y cierre de los mismos, de manera que generen una señal de tensión alterna para suministrarla a los arrollamientos del estator,
- -
- una etapa de entrada de rectificación (84) para convertir la tensión alterna de la fuente de alimentación principal en una tensión de impulsos de una sola vía,
- -
- una etapa uniforme intermedia (C1, C2) para convertir dicha tensión de impulsos de una sola vía que sale de la etapa de entrada en una tensión continua uniforme, y
- -
- una etapa de salida de la conmutación que comprende a dichos medios interruptores (S1, S2) para convertir dicha salida de tensión continua de la etapa intermedia en una tensión alterna para suministrarla a los arrollamientos del estator.
caracterizado
porque
dicho control electrónico (80)
puede ser ajustado para hacer que funcione el motor a una velocidad
sincrónica; en el que el microprocesador recibe unas señales desde
un dispositivo de sincronización (85) que indican la frecuencia de
la tensión de la fuente de alimentación principal, y de acuerdo con
dichas señales recibidas controla a dichos medios interruptores (S1,
S2), de manera que se aplique una tensión alterna conectada a la
tensión de la fuente de alimentación principal a los arrollamientos
del
estator.
2. Un motor eléctrico (100) de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque dicho medio detector
comprende un sensor óptico (81) capaz de detectar la posición de
dicho rotor.
3. Un motor eléctrico (100) de acuerdo con la
reivindicación 2, caracterizado porque dicho sensor óptico
(81) está montado sobre una placa (70) integrado en la carcasa
(10) y tiene forma de horquilla con dos brazos formando una
abertura de aire (82), estando provistos un transmisor y un
receptor, respectivamente, sobre dichos brazos y estando montada
integralmente sobre dicho rotor (30) una pantalla (60) que
comprende por lo menos una superficie de protección (61) capaz de
pasar a través de la abertura de aire de dicho sensor en forma de
horquilla cuando dicho rotor esté girando.
4. Un motor eléctrico (100) de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque dicho medio detector
comprende un sensor magnético capaz de detectar el campo magnético
producido por el rotor (30).
5. Un motor eléctrico (100) de acuerdo con la
reivindicación 4, caracterizado porque dicho sensor
magnético es un sensor de efecto Hall.
6. Un motor eléctrico (100) de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque dichos medios interruptores son por lo menos dos transistores
de efecto de campo (S1, S2).
7. Un motor eléctrico (100) de acuerdo con la
reivindicación 6, caracterizado porque por lo menos los dos
citados transistores de efecto de campo (S1, S2) son transistores
MOSFET.
8. Un motor eléctrico (100) de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque dicha etapa de entrada de rectificación comprende un
rectificador (84) que a su vez comprende dos diodos (D1,
D2).
9. Un motor eléctrico (100) de acuerdo con la
reivindicación 8 ó 9, caracterizado porque dicha etapa
uniforme intermedia comprende dos capacitadores uniformes (C1,
C2).
10. Un motor eléctrico (100) de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque dicho dispositivo de sincronización comprende un dispositivo
(85) para detectar el contacto a cero de la tensión de la fuente
de alimentación principal.
11. Un motor eléctrico (100) de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque es un motor sincrónico con un rotor de imán permanente
(30).
12. Un motor eléctrico (100) de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque dicho control electrónico (80) implementa a un procedimiento
de control de bloqueo del rotor que comprende las etapas
siguientes:
- -
- detección de un número de revoluciones del rotor por dicho medio detector (81) y el almacenamiento del número de revoluciones detectadas en una variable del microprocesador (83),
- -
- comparación del número de revoluciones detectadas con un valor umbral de revoluciones preajustado debajo del cual el rotor está presumiblemente bloqueado, de manera que si el número de revoluciones detectado es menor que el valor umbral de revoluciones preajustado, entonces la alimentación de potencia al motor puede ser suspendida para evitar dañar el estator o, por el contrario, se puede realizar un nuevo intento de arranque en el caso de un bloqueo accidental.
13. Un motor eléctrico (100) de acuerdo con la
reivindicación 12, caracterizado porque dicho procedimiento
de bloqueo del rotor comprende también la etapa de comparar el
número de intentos de arranque del motor con un número umbral de
intentos preajustado, de manera que si el número de intentos de
arranque realizado es menor que el número umbral de intentos
preajustado, se realizará un nuevo intento para arrancar el motor, y
si éste está por encima del número umbral de intentos preajustado,
entonces el microprocesador entra en un estado de pausa en el cual
no puede recibir comandos y que puede abandonar reajustando el
control electrónico.
14. Un motor eléctrico (100) de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque dicho control electrónico (80) puede ser ajustado para hacer
que el motor funcione a una velocidad libre, en donde el
microprocesador (83) controla a los interruptores (S1, S2) a la
máxima tensión disponible hasta que el rotor alcanza la velocidad
máxima proporcionada por el balance entre el par de fuerza motriz y
el par de fuerza de resistencia.
15. Un motor eléctrico (100) de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque dicho control electrónico (80) puede ser ajustado para hacer
que el motor funcione a una velocidad controlada, en donde el
operador ajusta una velocidad deseada a la cual hace que el rotor
gire y el microprocesador (83) controle los interruptores (S1, S2) a
una tensión variable, hasta que la velocidad del rotor alcance dicha
velocidad ajustada por el operador.
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