ES2198268T3 - Motor sin escobillas, procedimiento y circuito para su control. - Google Patents

Abstract

Circuito de control para motores sin escobillas, comprendiendo: - un inversor de alimentación de energía (7) para alimentar el motor - un puente rectificador (3) - una sección de filtrado (6) colocada entre el puente rectificador (3) y el inversor de alimentación de energía (7), caracterizado porque dicha sección de filtrado comprende por lo menos dos condensadores (C1, C2) y medios de control (D1, D2, Q1) para llevar dichos condensadores alternativamente a conexión en serie o en paralelo y porque dichos medios de control llevan dichos condensadores a la conexión en serie durante las etapas de conmutación de los devanados del motor sin escobillas, si la tensión a través del puente rectificador (3) es inferior a un valor umbral y el inversor tiene que recibir una tensión de entrada mayor que la que esta disponible en el puente rectificador y la cual puede ser suministrada por los condensadores en paralelo.

Description

Motor sin escobillas, procedimiento y circuito para su control.

La presente invención se refiere a un procedimiento y a un circuito para el control de la alimentación de un motor ``sin escobillas'' especialmente para un motor sin escobillas trapezoidal.

La invención también se refiere a un motor equipado con dicho circuito.

Un motor sin escobillas trapezoidal es un motor síncrono que consta de un rotor, en el cual están ajustados imanes permanentes, y un estator en el cual hay un devanado de tres fases conectado en estrella. La descripción ``CC sin escobillas'' (motor de corriente continua sin escobillas) se basa en su principio de funcionamiento, el cual es conceptualmente similar a aquél de un motor de corriente continua.

Un motor de corriente continua tiene un imán permanente en el estator y los devanados en el rotor. El giro se obtiene conmutando apropiadamente la polaridad del campo magnético producido por los devanados de acuerdo con la posición del rotor. Esto se hace por medio de escobillas adecuadas las cuales conectan eléctricamente los devanados (en el rotor) a la fuente de corriente continua.

A diferencia de un motor de corriente continua, un motor sin escobillas tiene el imán permanente en el rotor y los devanados en el estator. El giro se obtiene conmutando adecuadamente la polaridad del campo magnético producido por los devanados de acuerdo con la posición de los imanes permanente en el rotor. La conmutación de los devanados se lleva a cabo por medio de un convertidor electrónico. Si se le hace girar, el motor sin escobillas actúa como un generador, las tensiones obtenidas, entre una fase y el centro de la estrella, son de forma trapezoidal (a partir de la cual deriva el nombre). Su valor punta es directamente proporcional a la velocidad del giro de acuerdo con la siguiente relación: Vpk = K_{E} \cdot N

En donde, N es el número de revoluciones por minuto

K_{E} es una constante que depende del motor.

Estas tensiones inducidas aparecen independientemente de la causa de giro del motor y por lo tanto también durante el funcionamiento como un motor y se denominan fuerzas electromotrices (Vbemf).

Los motores sin escobillas trapezoidales frecuentemente se controlan estableciendo una corriente constante en las dos fases activas, sin control de la tercera fase. La secuencia correcta de las fases activas capacita al motor a girar en el sentido de giro deseado.

Para mantener constante la corriente de fase, las fases activas se controlan por medio de un inversor que comprende conmutadores electrónicos dispuestos en forma de un puente completo de tres fases. El sistema está alimentado con una tensión corriente. Esto se puede obtener tanto por medio de una batería o directamente desde la red eléctrica por medio de un convertidor CA-CC (corriente alterna - corriente continua). La distribución en planta típica para el suministro desde la red eléctrica al sistema comprende un puente de diodos y un condensador de filtrado de tamaños adecuados.

Los circuitos de control de un motor sin escobillas del tipo anterior, de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 y los procedimientos de control importantes de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 12 se describen por ejemplo en las patentes JP-A-05-184188 y JP-A-62-233069.

La patente americana US-A-6046922 describe un circuito de control para suministrar una tensión a una carga. Una sección de filtrado está conectada a un puente rectificador. La sección de filtrado contiene dos condensadores los cuales se pueden conectar en una configuración tanto en paralelo como en serie mediante un conmutador de control. La configuración se escoge como una función de la tensión de entrada, esto es, dependiendo de la fuente de tensión y no como una función de la carga a la cual se aplica la tensión en masa.

La figura 1 muestra esquemáticamente un circuito de control, con un inversor para suministrar las tres fases, indicadas por u, v y w del motor. El inversor comprende seis conmutadores electrónicamente controlados, indicados por T1-T6. Una tensión continua Vc, la cual está presente a través del condensador de filtrado C conectado en paralelo a un puente rectificador de diodos D, se suministra al puente de tres fases formado por los conmutadores T1-T6.

La figura 2 muestra esquemáticamente las polaridades del imán permanente del rotor y las tres fases u, v, w que forman el devanado del estator. La figura 3 muestra esquemáticamente las corrientes I_{u}, I_{v}, I_{w} en las tres fases como una función del ángulo eléctrico, representadas en el eje horizontal. También representa cuál de los conmutadores T1-T6 está cerrado (ON - conectado) para cada intervalo de 60 grados eléctricos (indicados por A-F). En el diagrama, las rampas de ascenso y descenso de la corriente se han omitido con fines de simplicidad, suponiéndose una conmutación instantánea de la corriente.

Entre dos conmutaciones sucesivas, la corriente de fase tiene que mantenerse dentro de una gama de tolerancia (en otras palabras, se fijan los valores inferior y superior). Para conseguir esto, los conmutadores electrónicos T1-T6 del puente de tres fases son accionados de tal manera que toda la tensión disponible a la salida del puente rectificador está presente a través de las fases activas con un signo adecuado. En particular, cuando la corriente se tiene que elevar, la fase activa se alimenta con signo positivo y la corriente aumenta con una pendiente determinada por: \frac{dI}{dt} = \frac{Vdc - Vbemf}{Lmot}

En cuanto el valor de la corriente haya alcanzado el límite superior establecido, los conmutadores electrónicos se conmutan y la fase activa se alimenta con el signo negativo. La corriente disminuye con una pendiente determinada por: \frac{dI}{dt} = \frac{- Vdc - Vdbemf}{Lmot}

La corriente pasa a través de los diodos y el condensador de filtrado se carga.

La configuración se mantiene hasta que la corriente alcance el límite inferior, después de lo cual se vuelve a establecer la configuración inicial y la corriente empieza a aumentar otra vez.

Como se puede deducir a partir de lo anterior, la conmutación de las fases causa variaciones escalonadas de las corrientes de las fases u, v y w del motor (figura 3). Debido a la fuerza contraelectromotriz generada en los devanados individuales por el giro del motor, la tensión de alimentación debe ser suficientemente mayor que la fuerza contraelectromotriz si se va a obtener una conmutación rápida. Esto significa que es suficiente tener un valor menor de la tensión continua cuando el número de revoluciones es bajo que cuando el giro es rápido. Por otra parte, la alta tensión se requiere sólo durante las etapas de conmutación de la corriente de fase y no se requiere cuando no hay conmutación de la corriente en las fases del motor.

En circuitos de control convencionales, existe una gran variación de la corriente extraída de la red eléctrica durante el período eléctrico, lo cual se manifiesta en una reducción del factor de potencia. La corriente I_{C} en el condensador C y la corriente I_{D} suministrada por el puente de diodos tiene una variación caracterizada por una punta marcada, como se representa en el diagrama de la figura 4, la cual representa la variación de I_{D} y de I_{C} como una función del tiempo. El mismo diagrama también representa la variación de la tensión V_{C} a través del condensador C.

Además de un factor de potencia limitado, los circuitos utilizados actualmente para controlar los motores sin escobillas tienen valores eficaces relativamente elevados de absorción de la corriente, haciendo necesario utilizar componentes de gran tamaño y caros para el filtro de entrada y para el puente rectificador. Adicionalmente, el condensador de filtrado debe ser capaz de alcanzar altas tensiones, iguales a la punta de tensión de la alimentación de energía.

El objeto de la presente invención es proporcionar un circuito de control para motores sin escobillas y el correspondiente procedimiento el cual hace posible, por una parte, mejorar el factor de potencia y, por la otra, reducir el coste de los componentes del circuito.

Un objeto adicional de la presente invención es proporcionar un circuito menos caro.

Este y otros objetos y ventajas, los cuales serán claramente entendidos por una persona experta en la técnica a partir del siguiente texto, se consiguen esencialmente con un circuito de control de acuerdo con la reivindicación 1 y con un procedimiento de control de acuerdo con la reivindicación 12.

Los medios de control pueden ventajosamente comprender un conmutador electrónico controlado, por ejemplo un transistor.

Los medios de control y los condensadores están fabricados y conectados, en una posible realización de la invención, de tal manera que, mediante el funcionamiento de los medios de control, los dos condensadores se pueden conectar alternativamente en serie y en paralelo para modificar la tensión de alimentación de acuerdo con la demanda real a través del puente de tres fases.

Con esta disposición, cada condensador tiene que soportar no más de la mitad de la tensión punta. Es por lo tanto posible utilizar componentes menos caros. Para una capacidad dada, el coste total de los dos condensadores, del tipo electrolítico de 200 V por ejemplo, es inferior que el coste de un condensador de 400 V del tipo que se puede enchufar. Además, como se representará a continuación, cuando el motor gira a una velocidad suficientemente baja, también se obtiene una considerable mejora del factor de potencia.

Características ventajosas adicionales del circuito de acuerdo con la invención y del correspondiente procedimiento se presentan en las reivindicaciones anexas.

La invención se entenderá más claramente a partir de la descripción y los dibujos anexos, los cuales muestran una realización práctica y no restrictiva del circuito de acuerdo con la invención. En los dibujos:

Las figuras 1 a 4 muestran la distribución en planta del circuito, el diagrama esquemático del motor, la variación de las corrientes en las tres fases y la variación de las corrientes en el condensador y en el puente de diodos en el circuito convencional, como se ha descrito de un modo resumido antes.

La figura 5 muestra esquemáticamente el circuito de control de acuerdo con la invención.

La figura 6 muestra un circuito equivalente a aquel de la figura 5 en el que el inversor de alimentación de energía y las tres fases del devanado del estator han sido remplazados por una fuente de corriente constante equivalente.

Las figuras 7A-7D muestran las diversas etapas de funcionamiento del circuito.

Las figuras 8 y 9 muestran la variación de las corrientes y las tensiones en el circuito, en dos diagramas en escalas diferentes; y

La figura 10 muestra una realización modificada del circuito.

La figura 5 muestra esquemáticamente el circuito de control de acuerdo con la invención, indicado de un modo general con 1. El número 3 indica un puente rectificador de diodos, conectado a una fuente de tensión alternativa 5. El número 6 indica de un modo general una sección de filtrado, la cual comprende dos condensadores de filtrado C1 y C2. El primer condensador C1 tiene un primer electrodo conectado a través de un primer diodo D1 al polo positivo del puente rectificador 3, mientras que el otro electrodo está conectado al polo negativo del puente rectificador 3. Por el contrario, el segundo condensador C2 tiene uno de sus electrodos conectado al polo positivo del puente rectificador y el otro electrodo conectado a través de un diodo D2 al polo negativo del puente 3.

Los dos condensadores C1, C2 están conectados juntos a través de un conmutador electrónico Q1, el cual conecta el electrodo negativo del condensador C2 al electrodo positivo del condensador C1.

El número 7 indica el inversor de alimentación de energía, el cual tiene seis conmutadores electrónicos T1-T6 en una configuración de puente de tres fases, cada una de estas estando controlada de un modo conocido mediante una unidad de control programable indicada esquemáticamente por 9. Esta unidad también controla la conmutación del conmutador electrónico Q1 de la manera como se describe más adelante.

Puesto que le motor está alimentado con una corriente continua, la corriente en la entrada del puente de tres fases 7 es constante. En condiciones adecuadas, el puente de tres fases se puede considerar como un generador de corriente teóricamente constante. La distribución en planta equivalente se convierte en aquella representada en la figura 6, en la que números idénticos indican piezas idénticas o equivalentes a aquellas del circuito de la figura 5.

El circuito ilustrado funciona como sigue. Las etapas de funcionamiento se representan esquemáticamente en las figuras 7A-7D. Se supone que la tensión de alimentación de energía suministrada por la fuente 5 es senoidal y de amplitud Vo.

Se supone que el conmutador Q1 está inicialmente en el estado DESCONECTADO (OFF). Puesto que el diodo no está en paralelo con Q1, los condensadores C1 y C2 están conectados en serie uno con el otro y cada uno de ellos está cargado a un valor cercano a Vo/2. En condiciones estáticas, la carga tiene lugar en las proximidades del valor absoluto máximo de la tensión de alimentación de energía aguas arriba del puente de diodos 3 y esto causa un impulso de corriente absorbida por los diodos del puente 3. Esta situación se representa en la figura 7A en la que la corriente I_{D}, parte de la cual es alimentada a la carga (corriente I) y parte de la cual (corriente I_{C}) carga los condensadores C1, C2, es alimentada a través del puente de diodos 3.

En cuanto la tensión de entrada rectificada V_{X} se hace menor que la suma de las tensiones a través de los condensadores C1 y C2, el impulso de carga de los condensadores se extingue (I_{C} se hace cero) y puesto que los dos diodos D1 y D2 están inversamente polarizados, los condensadores C1 y C2 no pueden suministrar energía a la carga. Los diodos del puente rectificador 3 se mantienen conduciendo mediante la corriente del motor (representada por el generador teórico de corriente I) y la corriente I_{D} extraída de la red eléctrica es constante y coincide con aquella establecida por el motor (I_{D} = I). La situación se representa en la figura 7B.

Cuando la tensión de entrada V_{X} toma un valor absoluto inferior a Vo/2, los diodos del puente 3 dejan de conducir. Los diodos D1 y D2 están directamente polarizados y conducen. Consecuentemente, los condensadores C1 y C2 suministran energía a la carga, cada uno de ellos contribuyendo con aproximadamente la mitad de la corriente de carga I. La tensión a través del generador de corriente, el cual representa el puente de tres fases que alimenta las fases del motor, se estabiliza a aproximadamente Vo/2 y los condensadores C1 y C2 están en paralelo uno con el otro. La situación es aquella representada en la figura 7C.

Por el contrario, cuando el conmutador Q1 está cerrado (CONECTADO - ON) el diodo D1 está en paralelo con el condensador C2 y el diodo D2 está en paralelo con el condensador C1. Ambos diodos D1 y D2 están inversamente polarizados y los dos condensadores C1 y C2 están en serie uno con otro y suministran la corriente I_{C} = I a la carga. La tensión a través de la carga es aproximadamente Vo. Esta situación se representa en la figura 7D.

Naturalmente, siempre que Q1 esté cerrado, la tensión a través de la carga tiende hacia un valor cercano a Vo, independientemente del valor previamente tomado.

Por lo tanto, controlando adecuadamente los instantes de conducción del conmutador Q1, los condensadores C1 y C2 se pueden conectar en serie uno con otro para suministrar la tensión Vo al puente de tres fases y consecuentemente a la carga, aunque los dos condensadores C1, C2 estén a una tensión de no más de Vo/2.

Con referencia al diagrama esquemático de la figura 3, la tensión a través del puente de tres fases se puede mantener a un nivel bajo, típicamente igual a Vo/2 durante el funcionamiento a corriente constante y llevado al valor Vo durante la elevación de los frentes de corriente. Por lo tanto, el conmutador Q1 está controlado por la unidad 9 de tal manera que se cierra cuando los frentes de elevación de la corriente aparecen en una de las tres fases del motor, con tal de que la tensión de alimentación a través del puente rectificador 3 no sea ya suficientemente alta. En este caso, el impulso de cierre del conmutador Q1 se puede suprimir.

La figura 8 muestra la variación con el tiempo de la tensión (V_{X}) a través del inversor, en otras palabras a través del puente de tres fases 7, junto con la variación de la corriente (I_{D}) extraída de la red eléctrica y la corriente (I_{C}) a los condensadores C1, C2. El diagrama muestra dos puntas de absorción de la corriente (I_{D}) desde la red eléctrica, coincidiendo con la etapa de carga de los dos condensadores C1, C2, los cuales están en serie en este instante. Entre dos etapas sucesivas de carga de los condensadores C1, C2, se pueden identificar tres puntas de tensión, cada una durante un período de tiempo T_{ON}. Estas puntas de tensión se obtienen cerrando el conmutador Q1 durante el intervalo de tiempo T_{ON}. Como se representa en el diagrama de la figura 8, la tensión Vx la cual se aplica de ese modo a la carga es aproximadamente igual a Vo, aunque tiende a disminuir lentamente debido a la descarga progresiva de los condensadores. Los frentes de elevación de la corriente en una de las fases u, v y w del motor están localizados en los intervalos T_{ON}. Cuando un frente de elevación de la corriente se localiza temporalmente en una etapa en la cual el circuito está en la configuración representada en la figura 7A, el mandato de cierre del conmutador Q1 se suprime, puesto los condensadores C1 y C2 están ya en serie uno con otro y suministran una tensión suficientemente cercana a Vo. En el diagrama de la figura 8, las referencias 7A-7D indican las áreas del diagrama que corresponden a las condiciones de funcionamiento ilustradas en las figuras 7A-7D respectivamente, para una fácil comparación entre la variación de las curvas de la figura 8 con el estado de los componentes del circuito como una función del tiempo.

El diagrama de la figura 8 utiliza una escala de tiempo la cual está ampliada con respecto a aquella de la figura 4, para una lectura más fácil. La figura 9 reproduce el diagrama de la figura 8, pero con la escala de tiempo utilizada en la figura 4 en su eje horizontal. Esto hace posible determinar, por comparación directa de los dos diagramas, el efecto obtenido por la división de la capacidad de filtrado entre los dos condensadores C1 y C2 y por el control del conmutador Q1, la punta de corriente extraída de la red eléctrica es muy pequeña, con las consiguientes ventajas en términos del factor de potencia.

El análisis anterior del comportamiento del circuito de la figura 5 es cierto para la condición en la cual las velocidades de giro del motor no son muy altas. En esta condición, las altas tensiones se requieren sólo cuando la fase activa del motor se tiene que cambiar (seis veces en un período eléctrico). Por consiguiente, el conmutador Q1 se fabricará para conducir sólo en estos casos y permanecerá en este estado sólo durante el tiempo necesario para que la corriente de fase ajuste su valor. También se ha remarcado antes que el intervalo de conducción del conmutador Q1 se puede eliminar si la tensión de entrada es suficientemente alta. A fin de mejorar adicionalmente el factor de potencia, el motor se puede sincronizar, cuando gira a velocidad constante, con la tensión de la red eléctrica.

En algunas aplicaciones es útil ser capaz de obtener velocidades muy elevadas durante períodos breves. Para hacer esto es necesario mantener el conmutador Q1 constantemente conduciendo, en otras palabras mantener los condensadores C1 y C2 siempre en serie. De este modo, se pierden los beneficios en términos del factor de potencia pero no aquellos relacionados con los ahorros debidos al coste de los componentes.

La figura 10 muestra una realización diferente del circuito, en la cual está provisto un puente rectificador 3 del tipo de tres fases. En este caso, la sección de rectificado 6 puede comprender otra vez dos condensadores C1 y C2, conectados, por medio de dos electrodos correspondientes, a un conmutador controlado, otra vez indicado por Q1. Los otros electrodos están conectados al polo positivo y al polo negativo del puente rectificador 3. En este caso, debido a la forma de la onda de la tensión de salida del puente rectificador de tres fases, no es necesario conectar los condensadores alternativamente en serie y en paralelo. Se conectarán en serie cuando se requiera una velocidad de giro del motor alta, haciendo que el conmutador controlado Q1 conduzca. Cuando la frecuencia de funcionamiento sea menor, los dos condensadores pueden ser llevados a la condición carga con voltaje constante, en otras palabras con el conmutador controlado Q1 en el estado ``Desconectado''.

La figura 10 también muestra un circuito de frenado de un tipo conocido, indicado de un modo general por 21 y que comprende una resistencia de disipación en serie con un segundo conmutador controlado Q2. Este se cierra para disipar en la resistencia la corriente generada por el motor en la fase de frenado. En la fase de frenado, también el conmutador controlado Q1 de la sección de filtrado 6 conducirá.

El circuito de frenado también puede estar provisto en la configuración de las figuras anteriores.

Claims (13)

1. Circuito de control para motores sin escobillas, comprendiendo:

- un inversor de alimentación de energía (7) para alimentar el motor

- un puente rectificador (3)

- una sección de filtrado (6) colocada entre el puente rectificador (3) y el inversor de alimentación de energía (7),

caracterizado porque dicha sección de filtrado comprende por lo menos dos condensadores (C1, C2) y medios de control (D1, D2, Q1) para llevar dichos condensadores alternativamente a conexión en serie o en paralelo y porque dichos medios de control llevan dichos condensadores a la conexión en serie durante las etapas de conmutación de los devanados del motor sin escobillas, si la tensión a través del puente rectificador (3) es inferior a un valor umbral y el inversor tiene que recibir una tensión de entrada mayor que la que está disponible en el puente rectificador y la cual puede ser suministrada por los condensadores en paralelo.

2. Circuito como se reivindica en la reivindicación 1 en el cual dichos medios de control comprenden por lo menos un conmutador controlado (Q1).

3. Circuito como se reivindica en la reivindicación 1 o 2 en el cual dicho puente rectificador (3) es un puente de tres fases y en el cual dichos medios de control (Q1) están colocados entre un electrodo del primero de dichos condensadores (C1, C2) y un electrodo del segundo de dichos condensadores y llevan dichos condensadores alternativamente a la conexión en serie uno con otro y aislados uno del otro.

4. Circuito como se reivindica en una o más de las reivindicaciones anteriores en el cual dicho inversor de alimentación de energía (7) comprende un puente de conmutadores controlados (T1-T6).

5. Circuito como se reivindica en la reivindicación 4 en el cual dicho puente de conmutadores controlados es un puente de tres fases.

6. Circuito como se reivindica en una o más de las reivindicaciones anteriores en el cual:

- el primero (C1) de dichos condensadores está conectado por un electrodo al polo negativo del puente rectificador y por el otro electrodo al polo positivo del puente rectificador (3) por medio de un primer diodo (D1)

- el segundo (C2) de dichos condensadores está conectado por un electrodo al polo positivo del puente rectificador (3) y por el otro electrodo al polo negativo de dicho puente rectificador (3) por medio de un segundo diodo (D2).

7. Circuito como se reivindica en la reivindicación 6 en el cual dichos medios de control comprenden un conmutador electrónico controlado (Q1) del cual un extremo está conectado entre el primer condensador (C1) y el primer diodo (D1) y el otro extremo está conectado entre el segundo condensador (C2) y el segundo diodo (D2).

8. Circuito como se reivindica en una o más de las reivindicaciones anteriores que comprende medios (21) para frenar el motor con un segundo conmutador controlado (Q2), dicho segundo conmutador controlado (Q2) estando cerrado para obtener el frenado del motor.

9. Circuito como se reivindica en la reivindicación 8 en el cual durante el frenado del motor dichos conmutadores controlados primero y segundo (Q1, Q2) conducen simultáneamente.

10. Motor sin escobillas comprendiendo un circuito de control como se reivindica en una o más de las reivindicaciones 1 a 9.

11. Motor como se reivindica en la reivindicación 10 en el cual dicho motor es un motor sin escobillas trapezoidal.

12. Procedimiento para controlar un motor sin escobillas, comprendiendo las etapas de:

- generación de una tensión de alimentación continua por medio de un puente rectificador (3) y una sección de filtrado (1) comprendiendo por lo menos dos condensadores (C1, C2);

- alimentación a los devanados del motor por medio de un inversor (7) conectado a dicha sección de filtrado

caracterizado porque dichos por lo menos dos condensadores (C1, C2) se conectan alternativamente en serie y en paralelo uno con otro por medio de por lo menos un conmutador controlado (Q1), dichos condensadores estando conectados en serie durante las etapas de conmutación del devanado del motor sin escobillas si la tensión a través del puente rectificador es inferior a un valor umbral y el inversor tiene que recibir una tensión de entrada mayor de la que está disponible en el puente rectificador y la cual puede ser suministrada por los condensadores en paralelo.

13. El procedimiento de la reivindicación 12 caracterizado porque dicho motor sin escobillas es un motor trapezoidal.