ES2100429T5 - Procedimiento para activar un motor de reluctancia. - Google Patents

Abstract

EL OBJETO DE LA INVENCION ES UN PROCESO PARA EL CONTROL DE UN MOTOR DE RELUCTANCIA, CON INTERRUPTORES DE POTENCIA EN LAS ETAPAS DE BAJO Y DE ALTO POTENCIAL DE LAS FASES DEL MOTOR, PARA LO CUAL ESTA PREVISTO EN LA DERIVACION DE POTENCIAL ELEVADO SOLO UN INTERRUPTOR DE POTENCIA. CONSISTE EN QUE DE LAS TRES FASES R, S, T, UNA FASE (R, S, T) SE CONMUTA EN DESCONEXION POR COMPLETO, ES DECIR, LA CORRIENTE SE REDUCE A CERO ANTES DE QUE LA SIGUIENTE FASE (R, S, T) RECIBA CORRIENTE, ES DECIR, SE CONMUTE EN CONEXION, Y EN QUE EL INTERRUPTOR (TS,TT,TR), QUE CAUSA LA OPERACION DE LA CONMUTACION, SE CIERRE ANTICIPADAMENTE ANTES DE LA INTRODUCCION DE LA OPERACION DE LA CONMUTACION DESDE UNA FASE (R, S, T) A LA SIGUIENTE FASE (S, T, R). CON UN VALOR NOMINAL PRESELECCIONADO DE LA CORRIENTE EN LA FASE (R, S, T), SE CONECTA OTRA VEZ EL CORRESPONDIENTE INTERRUPTOR (TS,TT,TR), ANTES DE QUE CON LA INTRODUCCION DE LA OPERACION DE CONMUTACION EN DESCONEXION EN LA FASE (R, S, T) YA ESTE APLICADA CORRIENTE POR COMPLETO EN LA SIGUIENTE FASE (S,T,R).

Description

Procedimiento para activar un motor de reluctancia.

La invención parte de un procedimiento para activar un motor de reluctancia.

Una disposición de circuito para activar un motor de reluctancia es conocida, por ejemplo, por la solicitud de patente europea EP 0 476 751. En esta solicitud se describe una disposición de circuito para conmutar un motor de reluctancia con un estator que está provisto, en una disposición cíclica, de devanados a los que se alimentan, en un ciclo dependiente del movimiento, impulsos de corriente de longitud y posición prefijables. A velocidades de movimiento por encima de un valor prefijable se suprimen aquí después de cada impulso de corriente alimentado al menos los impulsos de corriente subsiguientes en la secuencia cíclica prefijable para bajas velocidades de movimiento. Un inconveniente de la disposición de circuito correspondiente es el elevado coste que ha de aceptarse para la electrónica.

La topología clásica de inversores para motores de reluctancia conectados de tres ramales consiste en seis interruptores de potencia (véase la figura 1). Se compone de tres puentes en H asimétricos independientes uno de otro. El interruptor de potencia superior de cada puente en H, en combinación con el diodo inferior, proporciona la regulación de la corriente en el ramal de devanado conectado. El interruptor de potencia inferior, en combinación con el diodo superior, hace posible, al pasar de un ramal del motor a otro, una desconmutación rápida frente a la plena tensión continua de alimentación U_{k}.

El coste total del miembro de ajuste de potencia de motores de reluctancia conectados es de un orden de magnitud comparable al del coste de los miembros de ajuste de potencia para maquinas asíncronas o síncronas.

La ventaja de esta topología es el completo desacoplo de los ramales de motor entre sí. Los procesos de conexión en un ramal no influyen sobre las posibles manipulaciones de conexión en los otros ramales del motor.

En esta topología es perturbadora la existencia de tres interruptores de potencia a alto potencial. Activar y vigilar éstos está ligado a una gran complejidad y también requiere elevados costes, especialmente cuando deban integrarse los circuitos de activación de los interruptores de potencia. Además, son necesarias alimentaciones de energía adicionales exentas de potencial y las señales de mando y de medida deberán transmitirse de forma segura contra perturbaciones y exacta a través de los potenciales que surjan.

En la electrónica de activación del motor de reluctancia han resultado posibles novedosas topologías de circuito debido a la disponibilidad de interruptores de potencia desconectables. Un circuito de maniobra de esta clase se ha descrito en el libro de T.J.E. ``Brushless Permanent Magnet and Reluctance Motor Drives'', Clarendon Press, Oxford 1989, página 177.

Es conocido por este libro el recurso de aplicar una solución más sencilla en interruptores de potencia que se encuentran también de la manera clásica a un potencial elevado. Esta solución prevé solamente un interruptor de potencia en el plano de alto potencial en lugar de los tres interruptores de potencia empleados hasta ahora.

Los extremos de los devanados de los tres ramales del motor se conducen ahora juntos al interruptor de potencia superior restante (véase la figura 2). Esta topología no ha encontrado hasta ahora difusión alguna, ya que presenta considerables inconvenientes técnicos de control frente a la topología de seis interruptores.

En consecuencia, se expondrán los inconvenientes de esta topología con ayuda de un proceso de conmutación de un ramal de motor a otro ramal de motor:

El motor gira con velocidad de variación constante del ángulo de giro \gamma del rotor, es decir, con número de revoluciones constante n.

n = d\gamma/dt = const.

El ramal R (véase la figura 3) conduce una corriente regulada constante I. En el miembro de ajuste de potencia están cerrados para ello los interruptores T_{H} y T_{R}. Todos los demás interruptores están abiertos (figura 2).

Durante el periodo de conducción de corriente en este ramal se presta trabajo, ya que es atraído un diente de armadura. Aumenta así continuamente la inductancia L del ramal, tal como se muestra en la figura 3.

dL/d\gamma = const.

Esto conduce, con corriente constantemente regulada en el ramal, a un desarrollo de par de giro uniforme M(t).

M(t) = dL/d\gamma.I(t)^{2}.

En el instante t = t_{1} la corriente deberá ser desconmutada en el ramal R y conmutada en el ramal S. Se abren para ello los dos interruptores T_{H} y T_{R}. La corriente en el ramal R circula por los diodos D_{H} y D_{R} volviendo a la fuente de tensión de alimentación (véase la figura 2). El ramal S podrá ser recorrido por la corriente únicamente en el instante en el que la corriente haya pasado a ser cero, es decir, cuando haya sido completamente desconmutada. Este instante se ha designado con t_{2} en la figura 3.

El proceso de desconmutación ha de estar completamente terminado antes de que pueda conectarse el ramal S. Una nueva conexión prematura (véase la figura 4) del transistor T_{H}, por ejemplo en combinación con T_{S}, conduce a una fuerte prolongación del proceso de desconmutación, ya que entonces, en lugar de la tensión continua de alimentación, está disponible solamente como tensión de desconmutación eficaz la tensión de flujo del diodo D_{H}. Se prolonga el proceso de desconmutación y, en consecuencia, se produce una generación de un par de frenado apreciable. Se reduce el rendimiento total en par de giro.

Después de la desaparición completa de la corriente en el ramal R podrá comenzar entonces el aumento de corriente en el ramal S. Esto se realiza cerrando el interruptor T_{H} y el interruptor T_{S} en t = t_{4}.

La corriente en el ramal S se incrementa lentamente partiendo de cero en correspondencia con la inductancia de ramal eficaz Ls(\gamma). Esta corriente alcanza el valor final deseado en el instante t = t_{5}.

Respecto de un desarrollo uniforme del par de giro, es necesaria ya en el instante t = t_{3} una corriente en toda su magnitud en el ramal S, puesto que en este instante comienza el ascenso de la inductividad del ramal S y, por tanto, se inicia la generación de par de giro motor. Esto no es posible debido a las condiciones marginales anteriormente expuestas. Por tanto, con esta topología del miembro de ajuste de potencia se llega a una merma neta del par de giro medio.

Además, debido a las fuertes alteraciones transitorias en el transcurso temporal del par de giro se llega forzosamente a emisiones de radiaciones acústicas perturbadoras. También se suprime la posibilidad de mando libre y desacoplado de cada ramal.

El invento se basa en el problema de reducir en la medida de lo posible el coste del miembro de ajuste de potencia y optimizar la activación de los interruptores de potencia de modo que no se presenten alteraciones transitorias en el transcurso temporal del par de giro del motor.

Este problema se resuelve con las características indicadas en la reivindicación 1. En las reivindicaciones subordinadas se identifican perfeccionamientos de la invención,

La invención se explica seguidamente con más detalle haciendo referencia al dibujo.

Muestran en éste:

la figura 1, el estado de la técnica en la disposición de los interruptores;

la figura 2, una forma sencilla del conexionado;

la figura 3, el transcurso temporal de las corrientes e inductividades de los ramales;

la figura 4, un transcurso desfavorable de la corriente de los ramales;

la figura 5, el desarrollo de la corriente durante la desconmutación;

la figura 6, el circuito según la figura 2 con detector, y

la figura 7, una modificación de la figura 6.

Mediante el procedimiento de mando según la invención se puede hacer funcionar el motor en un campo grande de funcionamiento, a pesar de la topología especial del miembro de ajuste de potencia, sin merma del par de giro. La clave de ello reside en el cierre prematuro del interruptor T_{S} antes de la iniciación del proceso de conmutación del ramal R al ramal S.

La regulación de la corriente del ramal R proporciona una impresión de la corriente deseada por actuación cíclica del interruptor de potencia superior T_{H}.

Se aplica aquí al ramal una superficie tensión-tiempo que compensa justamente en su magnitud la acción del aumento de inductividad sobre la amplitud de corriente. La misma superficie tensión-tiempo se alimenta entonces también al ramal S, en el que simplemente se cierra el interruptor T_{S}. Aquella superficie conduce en el ramal S a un aumento continuo de corriente, puesto que la inductividad eficaz aquí es menor que la inductividad eficaz en el ramal R y falta aquí la acción de un aumento de inductividad. Si se alcanza la intensidad de corriente deseada en el ramal S, se desconecta el interruptor T_{S}. Cuando está conectado el transistor T_{H}, la corriente pasa a la situación de oscilación libre a través del diodo D_{S} y el interruptor T_{H} (véase la figura 5). La tensión de desconmutación eficaz en la malla de oscilación libre es solamente la suma de la tensión de flujo del diodo citado y la del transistor T_{H}. Si la corriente en el ramal S se queda por debajo de su valor de referencia, se vuelve a conectar el interruptor T_{S}. Naturalmente, todo esto y también lo siguiente rigen para cada permutación cíclica de R, S y T.

Al desconectar el transistor T_{H}, la corriente en el ramal S pasa forzosamente a la situación de oscilación libre. Según el estado de conexión del transistor T_{S}, la malla de oscilación libre se expresa como sigue:

T_{S} desconectado - malla de oscilación libre: ramal S, diodo D_{S}, fuente de tensión de alimentación y diodo D_{H},

T_{S} conectado - malla de oscilación libre: ramal S, transistor T_{S} y diodo D_{H}.

Gracias a esta medida técnica de mando, el ramal S es recorrido ya completamente por la corriente al iniciarse el proceso de desconmutación en el ramal R. Esta circulación de la corriente no conduce tampoco a una generación de par de giro no deseada, puesto que la inductividad del tamal S se mantiene todavía constante en su valor mínimo.

Si se desconmuta ahora el ramal R en el instante t = t_{1}, se abren los interruptores T_{H} y T_{R} de la manera expuesta. Sin embargo, el interruptor T_{S} permanece cerrado. Las corrientes de ambos ramales pasan a la situación de oscilación libre, desconmutándose el ramal R con respecto a la plena tensión de alimentación a través del diodo D_{H} y el diodo D_{R}, y desconmutándose el ramal S solamente con respecto a la tensión de flujo del diodo D_{H} y la tensión de flujo del interruptor T_{S}.

Como consecuencia de la resistencia de los ramales y de las dos tensiones de flujo citadas, la corriente en el ramal S habrá disminuido en una cuantía determinada en el instante de la desconmutación completa del ramal R. Tras la conexión del interruptor T_{H}, la corriente en el ramal S tiene que ser aumentada solamente en esta cuantía hasta alcanzar el valor final deseado.

Si se prefija un valor de referencia para el ramal S antes de la desconmutación del ramal R, cuyo valor esté incrementado en una medida igual a la diferencia de la corriente antes y después de la desconmutación, el ramal S conduce entonces exactamente la corriente deseada después de la conclusión del proceso de conmutación. Se evita completamente una alteración transitoria del par de giro tal como la que se ha descrito anteriormente.

Para el aprovechamiento óptimo del motor es importante el conocimiento del instante en el que ha concluido completamente la desconmutación. Si se espera más tiempo del necesario, la corriente en el ramal que se añade por conmutación disminuye más fuertemente de lo necesario. Si se vuelve a conectar demasiado pronto, se produce la prolongación anteriormente expuesta del proceso de desconmutación. Ambas cosas conducen a una reducción del par de giro entregado.

La detección del instante de la conclusión de la conmutación puede efectuarse con el procedimiento siguiente, en donde se aprovechan como magnitudes de información las tensiones de bloqueo U_{R}, U_{S} y U_{T} aplicadas a los tres interruptores de potencia inferiores T_{R}, T_{S} y T_{T} (véase la figura 6).

Si, por ejemplo, se desconmuta el ramal R, su inductividad imprime en el interruptor T_{R}, durante el tiempo del proceso de desconmutación, una tensión de bloqueo de igual magnitud que la tensión continua de alimentación.

Si el ánodo del diodo D_{R} se une a masa por medio de una resistencia R_{H1} de alto valor óhmico, esta carga da lugar, después de concluida la desconmutación, a que la tensión de bloqueo U_{TR} vuelva a caer a cero cuando esté abierto el interruptor de potencia T_{H}. Esto puede reconocerse por medio de un sencillo comparador cuya referencia de conexión sea aproximadamente la mitad de la tensión de alimentación.

Es necesario aquí un comparador por cada ramal. Este gasto puede reducirse a un único comparador K2. A este fin, se introducen tres diodos de pequeña potencia D_{R}, D_{S} y D_{T} (véase la figura 7). El ánodo de D_{R} se una con el ánodo del diodo de oscilación libre D_{R} y de manera correspondiente los ánodos de D_{S} y D_{T} se unen con los ánodos de D_{S} y D_{T}. Los cátodos de los tres diodos D_{R}, D_{S}, D_{T} se unen entre sí y se ponen a masa con una resistencia de alto valor óhmico. La tensión a través de esta resistencia es la tensión de prueba buscada U_{K}2. Considerado lógicamente, estos tres diodos representan un selector de valor máximo, es decir que la mayor de las tres tensiones determina la magnitud de la tensión de salida.

Dado que durante un proceso de conmutación están recorridos por la corriente como máximo dos ramales y el interruptor de potencia del ramal que no ha de desconmutarse está permanentemente en conducción durante la desconmutación, el ramal en desconmutación por sí solo determina el transcurso temporal de la tensión U_{K2}. En tanto ésta sea aproximadamente igual a la tensión continua de alimentación, no está concluida la desconmutación. Por el contrario, cuando U_{K2} es casi cero, ha terminado el proceso de desconmutación. Esto puede reconocerse nuevamente de la manera expuesta por medio de un sencillo comparador.

Claims (5)

1. Procedimiento para activar un motor de reluctancia alimentado por inversor, con interruptores de potencia (T_{R}, T_{S}, T_{T}) en las derivaciones de potencial bajo y alto de los ramales del motor, estando previsto en la derivación de alto potencial común solamente un interruptor de potencia (T_{H}), y con diodos de oscilación libre (D_{H}, D_{R}, D_{S}, D_{T}) que unen los terminales de corriente de bajo potencial con el alto potencial de la tensión de alimentación y el terminal de ramal común de alto potencial con el terminal de bajo potencial de la tensión continua de alimentación, caracterizado porque antes de la iniciación del proceso de conmutación de un primer ramal (R, S, T) se efectúa, por apertura del interruptor de potencia (T_{H}) y apertura del interruptor (T_{R}, T_{S}, T_{T}) en el primer ramal, el cierre del interruptor (T_{S}, T_{T}, T_{R}) del siguiente ramal (S, T, R) de modo que el siguiente ramal (S, T, R) esté ya plenamente recorrido por la corriente, es decir que la corriente haya alcanzado un valor de referencia en este ramal, al iniciarse el proceso de desconmutación en el primer ramal (R, S, T), y porque durante el período de tiempo de la conmutación están desconectados el interruptor de la derivación de alto potencial y el interruptor del primer ramal y está conectado el interruptor del siguiente ramal.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se prefija para el siguiente ramal (S, R, T), antes de la desconmutación del ramal precedente (R, S, T), un valor nominal que se incrementa en una medida igual a la diferencia de la intensidad de corriente antes y después de la desconmutación.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque se regula a un valor constante la corriente en el ramal mediante ajuste de la superficie tensión-tiempo y se compensa la acción del aumento de inductividad sobre la amplitud de la corriente.

4. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque se ajusta la superficie tensión-tiempo haciendo actuar cíclicamente al interruptor de potencia superior (T_{H}).

5. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque en el caso de interruptores (T_{R}, T_{S}, T_{T}) puenteados con resistencias de alto valor óhmico se vigila el potencial de los terminales de devanado correspondientes en la derivación de bajo potencial, y se cierra el potencial hacia el final de la conmutación cuando el potencial de todos los terminales de devanado correspondientes ha adoptado aproximadamente el potencial más bajo.