ES2207764T3 - Procedimiento y dispositivo para el arranque y el funcionamiento de un motor sincrono monofasico de imanes permanentes. - Google Patents

Abstract

ESTRUCTURA Y METODO RELATIVOS A UN MOTOR SINCRONO MONOFASICO CON UN ROTOR DE IMAN PERMANENTE Y DOS DEVANADOS, NO NECESARIAMENTE IGUALES, CON UNA FASE QUE DIFIERE EN 90 GRADOS ELECTRICOS. EL ARRANQUE Y EL FUNCIONAMIENTO EN REGIMEN ESTAN CONTROLADOS POR INTERRUPTORES ESTATICOS SIN UTILIZAR SENSORES DE POSICION DEL ROTOR.

Description

Procedimiento y dispositivo para el arranque y el funcionamiento de un motor sincrono monofásico de imanes permanentes.

Esta invención se refiere a un dispositivo basado en: a) un motor síncrono monofase con un rotor de imán permanente y dos devanados no necesariamente iguales que difieren en fase 90 grados eléctricos, en particular para poner en funcionamiento bombas de circulación para lavavajillas o análogos o para aplicaciones que requieren potencia baja e implican bajas cargas inerciales, y b) un circuito electrónico para mover el motor mediante conmutadores estáticos.

Por las solicitudes de patente italianas anteriores a nombre del solicitante de la presente invención, se conocen motores síncronos monofase con un rotor de imán permanente, en particular motores con un solo devanado formado por bobinas de solenoide que tienen una configuración especial del intervalo de aire relativo, y asociadas con uno o varios sensores de posición de rotor, permitiendo estos últimos que el motor se arranque en la dirección requerida y que su velocidad rotacional sea controlada por un circuito excitador electrónico adecuado (véase también EP 0682404).

US 5.144.564 se refiere específicamente a motores de imán permanente que tienen al menos tres devanados de estator y describe una metodología específica que permite la eliminación de un sensor de rotor de posición.

Un objeto de esta invención es proporcionar un dispositivo provisto del motor especificado inicialmente que permite arrancar el motor y que funciona sin sensores de posición para los rotores relativos.

Otro objeto de la invención es proporcionar un dispositivo en el que el motor tiene un intervalo de aire homogéneo y una laminación magnética de forma circular o rectangular o en cualquier caso simétrica alrededor del eje de rotación para reducir el tamaño general del motor, con influencia correspondiente en el tamaño general de la unidad de motor/bomba en el caso de tal instalación, y simplificar su montaje en el motor usando la unidad de motor/bomba.

Otro objeto de la invención es proporcionar un dispositivo que permite elegir una velocidad de sincronización para el motor que difiere de la relacionada con frecuencia de la red, dentro de límites razonables.

Un objeto importante de la invención es proporcionar un método para manejar el arranque y el funcionamiento del motor.

Otro objeto de la invención es proporcionar un método para identificar la posición angular del rotor sin ayuda de sensores.

Estos y otros objetos de la invención que serán más evidentes por la descripción detallada expuesta más adelante se alcanzan con un dispositivo y un método según las ideas de las reivindicaciones acompañantes. Una definición exacta de la invención se expone en las reivindicaciones.

La invención se describe a modo de ejemplo no limitador con referencia a algunas de sus realizaciones preferidas, ilustradas en los dibujos anexos, en los que:

La figura 1 es una vista esquemática de un motor eléctrico según la invención.

La figura 2 es una vista esquemática del dispositivo de la invención.

La figura 3 es una vista esquemática de un detalle del dispositivo de la figura 2.

La figura 4 es una vista esquemática de una modificación simplificada de la representada en la figura 3.

La figura 5a muestra la variación de la corriente en los devanados de estator del motor eléctrico durante su primera etapa de arranque (1ª etapa).

La figura 5b muestra esquemáticamente el motor eléctrico al comienzo de la etapa de arranque.

La figura 6a muestra la variación de corriente en los devanados de motor al comienzo de la segunda etapa de arranque de motor.

La figura 6b muestra esquemáticamente el motor eléctrico al comienzo de esta etapa de arranque.

La figura 7a muestra la variación de corriente en los devanados de motor al comienzo de la tercera etapa de arranque.

La figura 7b muestra esquemáticamente el motor eléctrico al comienzo de dicha tercera etapa de arranque.

La figura 8a muestra la variación de corriente en los devanados de motor al comienzo de la cuarta etapa de arranque.

Y la figura 8b muestra esquemáticamente el motor eléctrico al comienzo de dicha cuarta etapa de arranque.

La figura 1 muestra una de las posibles realizaciones del motor eléctrico M que forma una parte fundamental del dispositivo de la invención. Por razones de simplicidad, pero sin que esto constituya una limitación de la invención, el motor se representa en la configuración de polos salientes, a saber en la versión de dos polos. El motor M incluye un paquete de estator 1 dentro del que hay un rotor R formado a partir de imanes permanentes 2, cuyas polaridades se indican por N y S. En los polos salientes hay dos devanados 3, 4 con relación a las fases de motor, denominado uno (3) el principal y el otro (4) como el auxiliar para facilitar la descripción. El devanado principal 3 está dividido en dos partes 31 y 32 que están situadas en los dos polos salientes que tienen el mismo eje magnético A-B, y está entre los terminales 10 y 11.

El devanado auxiliar 4, que está entre los terminales 12 y 13, también está dividido en dos partes 41, 42, que están situadas en los dos polos que tienen el mismo eje magnético D-C perpendicular al precedente.

Como se puede ver en el esquema de la figura 2, en el que el motor M se representa esquemáticamente en forma de su rotor R y sus dos devanados 3, 4, el terminal 10 y el terminal 12 están conectados a una fuente de electricidad CA monofase, por ejemplo la electricidad de la red, indicada por 20, mientras que los terminales 11 y 12 están conectados a la línea de retorno de la red mediante respectivos conmutadores estáticos 23, 24 (por ejemplo triacs) mostrados por razones de sencillez en forma de interruptores mecánicos. La fuente 20 también está conectada a un módulo o bloque de control electrónico (por ejemplo, un microprocesador) 69 mediante la línea de señal 25. Los terminales 11 y 13 están conectados respectivamente al bloque electrónico 69 mediante las líneas de señal 70 y 71.

Las salidas 57 y 58 de dicho bloque 69 activan los conmutadores estáticos 23, 24 respectivamente.

El voltaje que, cuando el motor está operando, está presente entre las líneas de señal 25 y 70 tiene dos componentes: el primer componente es inducido por el flujo debido a la corriente Im que circula a través del devanado principal 3, siendo inducido el segundo componente por el flujo del rotor R y siendo proporcional a la velocidad angular y a la posición angular (variable con el tiempo) del rotor.

Igualmente, las consideraciones expuestas en el párrafo anterior son válidas para los voltajes presentes en las líneas de señal 25 y 71 y por lo tanto referentes al devanado auxiliar. Se deberá observar que el segundo componente del voltaje inducido por el rotor en el devanado auxiliar 4 difiere en fase 90º del voltaje medido a través del devanado principal. Este desplazamiento de fase se debe al desplazamiento espacial de 90º de los ejes magnéticos A-B y C-D, véase la figura 1.

Dado que los conmutadores estáticos producen naturalmente una caída de voltaje y esta caída de voltaje es proporcional a la corriente que fluye a su través (y que fluye a través de los devanados), no es necesario medir esta corriente directamente, permitiendo esta corriente, junto con los datos de voltaje de los dos párrafos anteriores, calcular la posición del rotor R sin utilizar sensores, por ejemplo sensores de efecto Hall. La caída de voltaje a través de los conmutadores estáticos es la presente en las líneas de señal 70, 71.

Las tres señales presentes en las líneas 25, 70 y 71 cuando son procesadas en el bloque electrónico de control 69 son suficientes para operar los conmutadores estáticos 23 y 24 mediante las señales de control de las líneas 57 y 58 y para garantizar el arranque (en la dirección requerida) y el funcionamiento del motor sin la ayuda de otras señales que se originan en cualquier tipo de sensor de posición para el rotor R (por ejemplo sensores de efecto Hall, bobinas de señal, etc), como será evidente por la descripción siguiente.

El procesado de las tres señales indicadas se implementa, como se ha indicado, en el bloque electrónico 69, y se describe en relación a la figura 3, observando que el procesado de las señales de uno de los devanados 3, 4 corresponde exactamente al del otro.

Por esta razón, la descripción siguiente se limita al procesado de las señales del devanado 3, habiéndose usado en la figura 3 los mismos números de referencia más un apóstrofe para identificar partes o señales con relación al devanado 4.

Las señales de las dos líneas 25 y 70, representativas del voltaje a través del devanado 3, se diferencian en el bloque 61, cuya salida es una señal 63 que es proporcional al voltaje aplicado al devanado 3 o, en los tiempos en que el interruptor estático 23 está abierto, al voltaje inducido en el devanado 3 por la rotación del rotor R.

Las señales 73 y 75 se restan de la señal 63 en una unidad aritmética 76. Las dos señales 73 y 75 se obtienen como sigue. La señal de voltaje de la línea 70 se divide en el bloque 90 por el valor de la resistencia Rt del interruptor estático 23 para obtener el valor de la señal de corriente 92 a través del devanado 3. Multiplicando la señal 92 (es decir, la corriente a través del devanado) por el valor óhmico de la resistencia de devanado R_{M} en el bloque 72, se obtiene dicha señal 73 con relación a la caída de voltaje resistivo. La señal 75 se obtiene multiplicando (en el bloque 74) la derivada de la corriente 92 por la inductancia L del devanado. Conociendo el voltaje (señal 63) aplicado al devanado 3 y las dos caídas de voltaje (señales 73 y 75), se determina en la unidad aritmética 76 el voltaje inducido en el devanado 3 por la rotación del rotor R, representado por la señal de salida 37. Se lleva a cabo una operación análoga en la señal de la línea 71 y en la señal 63' para obtener la señal 37' con relación al devanado auxiliar 4.

Dado que los voltajes inducidos por la rotación del rotor R en los dos devanados 3, 4 son proporcionales a la velocidad rotacional y a la posición angular del rotor, procesando las señales relativas 37, 37' en el bloque 54, se obtiene una señal 39 que identifica la posición angular del rotor. Los bloques 77 y 83 operan como se describe en la solicitud de patente italiana MI94A00941, con relación al procesado de dos cantidades, en este caso 70 y 39 ó 71 y 39.

Específicamente, la señal de voltaje 70 en el interruptor estático 23 se compara en el bloque 77 con la posición angular (señal 39) del rotor. Cuando el voltaje 70 es positivo y la posición angular del rotor (medido en la dirección hacia la izquierda comenzando desde el lado derecho del eje A-B de la figura 1) está entre 0 y 90 grados eléctricos, la señal de control 58 para el interruptor estático (triac) 23, cerrando el triac, aplica el voltaje positivo al devanado principal 3. En contraposición, cuando la señal de voltaje 70 es negativa y la posición angular del rotor está entre 180º y 270º, el bloque 77 aplica voltaje negativo al devanado 3 mediante la señal de control 58 y el interruptor estático 23. No se aplica voltaje al devanado principal 3 durante los otros intervalos angulares.

La señal de voltaje 71 en el interruptor estático 24 se compara en el bloque 83 con la posición angular del rotor R. Cuando el voltaje 71 es positivo y la posición angular del rotor está entre 90 y 180 grados eléctricos, la señal 57 que controla el interruptor estático (triac) 24 cierra el triac para aplicar el voltaje positivo al devanado auxiliar 4. En contraposición, cuando el voltaje 71 es negativo y la posición angular del rotor está entre 270º y 360º, el bloque 83 aplica el voltaje negativo al devanado 4 por medio de la señal de control 57. No se aplica voltaje al devanado auxiliar 4 durante los otros intervalos angulares (0º-90º y 180º-270º).

La unidad de control 69, mostrada con detalle en la figura 3, se puede construir con componentes electrónicos individuales para cada función o ejecutando todo el algoritmo de control en un microprocesador.

También es posible insertar en los bloques de control 77 y 83 el algoritmo de optimización para el voltaje aplicado, descrito en la solicitud de patente MI94A002635. Optimizar el voltaje aplicado permite optimizar la cantidad de materiales activos en el motor, reduciendo así sus costos, porque bajo cualquier condición operativa, con un voltaje de alimentación variable y/o una carga variable, el motor recibe del circuito electrónico un voltaje controlado que mantiene la corriente a través de los devanados a valores mínimos, reduciendo así las pérdidas de cobre.

Otro punto fuerte de esta invención es la actualización del procesado y cálculo de la posición angular del rotor a partir de las mediciones de dichas cantidades 25, 70 y 71, efectuadas en cada momento en el que la corriente en los devanados es cero, es decir cuando los conmutadores estáticos 23, 24 están abiertos.

A este respecto, cuando los triacs o conmutadores estáticos 23 y 24 presentes en el circuito electrónico no son conductores, la corriente a través de los devanados es cero y las señales 92 y 92' son cero, siendo las señales 63 y 63' los voltajes inducidos solamente por la rotación y por la posición angular del rotor, representando la señal 25 el voltaje de alimentación.

Comparando la figura 4 con la figura 3, se notará como consecuencia que los bloques de procesado corrientes 90, 90', 72, 72', 74, 74' han desaparecido, porque la corriente a través de los devanados es cero y en consecuencia las señales 73, 73', 75, 75' también son cero. Las señales 37, 37' que se originan a partir de los devanados 3, 4 se deben simplemente, como ya se ha mencionado en relación a las señales 63 y 63' de la figura 3, a la fuerza electromagnética inducida producida por la posición del rotor R y por la velocidad rotacional.

Este algoritmo de cálculo introduce en consecuencia una nueva simplificación. Como resultado, si se utiliza el circuito formado con componentes discretos, se puede simplificar y se puede reducir el número de componentes usados. Si se utiliza un microprocesador, el algoritmo requiere menos tiempo para ejecución y menos memoria para el programa.

Para arrancar el rotor de imán permanente del motor síncrono monofase descrito formado con dos devanados que difieren en fase 90 grados eléctricos y ponerlo en sincronismo, se deberá observar lo siguiente:

- antes de arrancar, el rotor puede estar en cualquier posición y en consecuencia no existe inicialmente información relativa a la posición del rotor;

- el motor síncrono es incapaz de desarrollar un par estático sin utilizar procedimientos especiales.

Según un aspecto particular importante de la invención, el arranque se base en cuatro etapas del mismo algoritmo, que se implementan una después de otra, por medio del dispositivo antes descrito que mueve los dos conmutadores electrónicos 23, 24, cada uno en serie con uno de los dos devanados de motor 3, 4.

* La primera etapa se basa en la posición forzada del rotor R con el eje magnético relativo en una posición exacta.

* La segunda etapa consiste en arrancar inicialmente el rotor R en una dirección definida aplicando pulsos de voltaje adecuados (o corriente).

* La tercera etapa, que es opcional, es para aplicar un algoritmo definido para hacer que el rotor R gire a una velocidad inferior a la velocidad síncrona si la carga (por ejemplo, una bomba) requiere estabilización inicial a menos rpm.

* La cuarta etapa es la etapa final, en la que se utilizan señales de posición de rotor R obtenidas directamente de las mediciones de voltaje en los dos devanados 3, para sincronizar el rotor R con la frecuencia de la red y mantenerlo a la velocidad de rotación síncrona final.

En las tres primeras etapas de arranque, no se utiliza información con respecto a la posición de rotor, mientras que en la cuarta etapa, como se ha descrito hasta ahora (figuras 1 a 4), las señales de voltaje presentes a través de los devanados 3, 4 se miden en los momentos en los que los conmutadores estáticos 23, 24 están abiertos. Estas señales se identifican en consecuencia con los voltajes inducidos por el efecto de la rotación del rotor R (del tipo de imán permanente), siendo su valor directamente proporcional a la velocidad del rotor y a su posición con relación a los ejes polares de los devanados 3, 4.

Primera etapa

Para "aparcar" el rotor R, es decir, para poner su eje magnético E-F (Sur \rightarrow Norte) en una posición deseada y bien definida, se aplica el algoritmo siguiente, implementándose en los bloques 77, 83 y ejecutándose cuando se cierra el interruptor de dispositivo de arranque 100 (figura 3). La implementación se puede realizar mediante un microprocesador.

Con referencia a la figura 5, se actúa en el devanado principal 3, por ejemplo, alineando el eje del rotor R con el eje polar A-B para hacer que pase corriente I_{M} a través de él en la dirección indicada.

Dado que el rotor R podría tener cualquier posición inicial (eje magnético E-F), se producen pequeños pulsos de corriente de amplitud creciente, positivos o negativos, dependiendo de cómo se desea alinear el eje magnético de rotor, poniendo en funcionamiento el interruptor estático 23.

Estos pulsos de corriente, que al comienzo son de una amplitud tal que no muevan el rotor R, se incrementan en amplitud con el tiempo hasta que se alcanza el tiempo en que es cierto que existe el valor necesario para mover el rotor R de su posición inicial a la posición establecida, es decir en la que los ejes magnéticos A-B y E-F están alineados (véase las figuras 5a y 5b).

El par aplicado al rotor es ligeramente más alto que el mínimo necesario, evitando así la aceleración excesiva. En el ejemplo representado en la figura 5B, el eje de rotor E-F se coloca a lo largo del eje A-B si solamente se aplican pulsos de corriente positivos de amplitud creciente al devanado principal 3 (figura 5a). Después de empezar a moverse hacia la posición deseada, el rotor R tiene una tendencia a acelerar y a continuar su movimiento incluso cuando ha llegado a la posición en el eje A-B.

Por esta razón el devanado principal 3 sigue siendo alimentado con pulsos de corriente siempre positivos y cada vez más grandes (figura 5a). A este respecto, después de que el rotor ha pasado más allá del eje A-B, los pulsos de corriente, cuya finalidad anterior era aproximarlo al eje A-B, son ahora necesarios para frenar su movimiento atrayendo el rotor y estabilizándolo en la posición final.

El procedimiento permite que el eje magnético E-F del rotor se coloque en cuatro posiciones principales (A-B, B-A, C-D y D-C) y dos posiciones auxiliares (G-H y H-G), es decir, el polo Norte del rotor puede mirar a lo siguiente: una u otra de las dos piezas de polo del eje A-B (posiciones A-B y B-A); una u otra de las dos piezas de polo del eje C-D (posiciones C-D y D-C); o una u otra de las posiciones intermedias entre las piezas de polo. En particular, aplicando impulsos de corriente positivos crecientes al devanado principal 3 (con la dirección de flujo I_{M} como en la figura 5b), el rotor R resulta aparcado en la posición en la que el eje de rotor E-F está en alineación con el eje AB.

Pulsos de corriente negativos aplicados al devanado 3, pero con la dirección de flujo de corriente contraria a la de la figura 5b, ponen el rotor a lo largo del eje B-A. Para alinear el rotor a lo largo del eje C-D, se debe aplicar pulsos de corriente positivos crecientes al devanado auxiliar 4 con la dirección de flujo de la corriente I como en la figura 5b. Pulsos negativos aplicados al mismo devanado auxiliar alinearían el rotor con el eje D-C. Aplicando simultáneamente pulsos positivos a ambos devanados de la figura 5b, el rotor se coloca con un eje G-H a 45º al eje A-B. Pulsos negativos de corriente aplicados a ambos devanados producirían el efecto opuesto (alineación con el eje H-G).

A la terminación de la primera etapa existe la situación siguiente: el rotor R tiene su eje magnético E-F alineado con el eje magnético A-B, y su velocidad rotacional es cero, es decir, el rotor R está absolutamente parado sin ninguna oscilación mecánica alrededor de su eje. Esto representa la condición inicial para realizar la segunda etapa de arranque.

Segunda etapa

La segunda etapa (figuras 6a, 6b) consiste en aplicar pulsos de voltaje adecuados, pulsos de corriente o ambos a ambos devanados 3, 4 para hacer que el rotor R comience a moverse en la dirección elegida. Como es conocido, actúa par máximo en el rotor R cuando el flujo magnético del estator se desplaza 90 grados eléctricos del eje magnético de rotor E-F. Como hay una situación bien definida al final de la primera etapa, es decir, se conoce la posición angular del rotor, el rotor R se puede poner en marcha en la dirección deseada aplicando una secuencia de pulsos de corriente a ambos devanados 3, 4.

Para suministrar, por ejemplo, par máximo al rotor cuando está alineado con el eje A-B, se debe aplicar un pulso de corriente positivo o negativo I_{A} al devanado auxiliar 4 (véase la figura 6a).

Si se desea girar el rotor R hacia la izquierda (flecha F en la figura 6b), el eje de rotor E-F se debe mover del eje A-B' hacia el eje C-D; el par máximo que acelera el rotor en la dirección del eje C-D se obtiene aplicando un pulso de corriente positiva I_{A} de amplitud máxima al devanado auxiliar 4 (con referencia a la dirección de la corriente I_{A}, indicada en la figura 6B).

El par suministrado al rotor es en este caso el máximo disponible entre EL estator y EL rotor y, en consecuencia, como resultado de la corriente aplicada, se logra aceleración del rotor en la dirección hacia la izquierda (flecha F).

La necesidad de aplicar o no aplicar un segundo pulso de corriente con la misma polaridad al mismo devanado 4 se tiene que evaluar en base a la aplicación particular, el tipo de carga o la inercia del sistema.

En el caso de bombas para aparatos electrodomésticos, como la carga de la bomba a velocidad baja es despreciable y como la inercia del sistema es baja, aplicando solamente un pulso de corriente, el rotor se puede mover 90 grados eléctricos en un tiempo igual al período de duración del pulso de corriente aplicado (figura 6a).

A la terminación del pulso aplicado I_{A}, se puede producir una situación nueva, es decir, el rotor ha adquirido una cierta velocidad y gira hacia la izquierda. La posición angular exacta del rotor no es conocida, aunque se puede suponer que cae alrededor del eje C-D.

Para estabilizar la velocidad del rotor R, se aplica entonces un segundo pulso de corriente, cuya finalidad es mover angularmente el eje magnético de rotor de la posición C-D a la posición nueva B-A; este segundo pulso de corriente I_{M} es negativo y de amplitud máxima, y se aplica al devanado principal 3. Este pulso realiza dos funciones: acelera inicialmente el rotor hacia el eje B-A y después lo frena si ha adquirido una velocidad tal que el eje magnético de rotor E-F gire más allá del eje magnético A-B del devanado activado (devanado principal 4) antes de que el pulso de corriente muera dentro del devanado.

Para girar el rotor R hacia la derecha, hay que usar el mismo concepto indicado, pero con la aplicación de un pulso de corriente negativo de amplitud máxima al devanado auxiliar 4. Este pulso desplaza el eje magnético de rotor hacia alineación con el eje D-C. El pulso de corriente siguiente será negativo y se aplicará al devanado principal.

A continuación se utilizan dichos conceptos.

Al final de la segunda etapa, el rotor tiene una velocidad distinta de cero y gira en la dirección deseada (es decir, hacia la izquierda en el ejemplo). En la figura 7b el rotor R gira hacia la izquierda, siendo la posición angular del rotor al final de la segunda etapa alrededor del eje B-A.

Dado que el motor en cuestión tiene intervalo de aire asimétrico, no hay pares de reluctancia que podrían influir en la rotación del rotor y producir problemas de cambio en la dirección de rotación.

Por lo tanto, para este motor, se puede afirmar con certeza que al final de la segunda etapa el rotor tiene una cierta velocidad, aunque no conocida, está girando hacia la izquierda y su eje está alrededor del eje B-A.

Tercera etapa (opcional)

Como es conocido, un motor síncrono también puede operar, en el sentido de mantener el par a la velocidad de sincronismo, en "bucle abierto" (es decir, sin realimentación) aplicando pulsos de corriente a los devanados sin conocer la posición angular exacta del rotor. Este método de operación es posible solamente si no hay grandes variaciones en el par de carga y en consecuencia en la velocidad.

Si la carga es una bomba para aparatos electrodomésticos, en los que la carga es bastante constante para una velocidad rotacional dada, se puede afirmar que las oscilaciones de la carga, que están presentes pero son de pequeña extensión, se compensan automáticamente por el efecto de las características intrínsecas del motor síncrono, de manera que el rotor continúa siguiendo la velocidad establecida por los pulsos de corriente aplicados a los devanados, es decir, mantiene la velocidad de sincronismo.

La etapa más crítica, es decir, el arranque del motor, ha sido superada por la aplicación de las dos primeras etapas de este algoritmo.

Al comienzo de la tercera etapa (figuras 7a, b) es sabido que la posición angular del rotor está más o menos alrededor del eje B-A con una velocidad rotacional distinta de cero. Como el par necesario para acelerar el rotor y para sincronizarlo a una velocidad inferior a la velocidad síncrona, que está relacionada con la frecuencia de la red, es mucho menor que el par máximo que puede ser suministrado por el motor en el caso de bombas para aparatos electrodomésticos, la operación puede proseguir con el algoritmo siguiente. En la práctica, la tercera etapa comienza, para rotación hacia la izquierda, cuando el pulso de corriente negativo I_{M} aplicado al devanado principal 3 ha muerto (véase la parte final de la segunda etapa).

Para proseguir en la misma dirección de rotación, es decir, hacia la izquierda, el pulso de corriente siguiente debe empujar el rotor hacia el eje D-C, en consecuencia este pulso debe ser de polaridad negativa y aplicarse al devanado auxiliar 4 (véase la figura 7a). Dado que, como se puede ver por la figura 7a, el primer pulso de corriente negativo I_{A} disponible para el devanado auxiliar 4 aparece después de un semiperíodo de la frecuencia de la red desde el final de la segunda etapa, el rotor podría experimentar deceleración mientras tanto.

Dado que el par electromagnético que se aplica al rotor es una función del ángulo entre el eje magnético (E-F) del rotor y el eje polar del devanado energizado, será evidente que, si en el momento de aplicación del pulso de corriente negativo al devanado 4 el rotor está decelerando, este ángulo es mayor que para una situación de movimiento rotativo constante, y por lo tanto el par que actúe en el rotor para ponerlo en el eje D-C será mayor. Por lo tanto, cuanto más decelera el rotor durante esta etapa, cuando más alto es el par y en consecuencia la aceleración aplicada por el pulso de corriente. La posición siguiente a la que se desplaza el rotor es el eje A-B.

Como ya se ha descrito, para lograr este resultado se debe aplicar un pulso de corriente positiva al devanado principal 3. Para proseguir y poner el eje magnético del rotor en línea con el eje C-D, se debe aplicar un pulso de corriente positiva al devanado auxiliar 4 (figura 7). De nuevo se produce una etapa de deceleración posible, y en consecuencia se aplica el razonamiento anterior. Para efectuar una revolución completa comenzando en la posición que el rotor ocupaba al comienzo de la tercera etapa, el rotor se debe poner en la posición angular que ocupaba al comienzo, es decir, en la posición B-A.

Cuando el pulso aplicado al final de la segunda etapa era un pulso de corriente negativo al devanado principal 3, será ahora necesario aplicar el mismo pulso para poder reaplicar después cíclicamente el mismo procedimiento identificado por el algoritmo en la tercera etapa.

En conclusión, para cada revolución del rotor (motor de dos polos como en las figuras), se requieren cuatro pulsos de corriente, dos para cada devanado. Esta secuencia de pulsos se podría repetir hasta el infinito para permitir que el motor gire con una velocidad de un tercio de la velocidad de sincronismo (tres períodos de la frecuencia de la red para efectuar una revolución completa).

Las aceleraciones y deceleraciones presentes dentro de un ciclo son amortiguadas por la inercia del rotor, o más bien de todo el sistema.

Por lo tanto, con el procedimiento descrito es posible, en caso de necesidad, actuar en el motor y lograr una velocidad rotacional inferior a la velocidad de sincronismo de la red durante un período de tiempo deseado sin utilizar señales de posición de rotor.

Para girar el rotor hacia la derecha, comenzando al final de la segunda etapa, ya lograda para esta dirección de rotación, se aplica el mismo algoritmo, pero teniendo en cuenta las inversiones necesarias de pulsos de corriente.

El algoritmo descrito es uno de los algoritmos posibles que permiten que el rotor gire con una velocidad que representa un submúltiplo de la velocidad de sincronismo. En el caso descrito se aplican cuatro pulsos de corriente a un ciclo completo, es decir 360 grados eléctricos, girando el rotor a un tercio de la velocidad de sincronismo.

Una de las ventajas que derivan de la aplicación de este algoritmo es que la posición angular del rotor se conoce con buena aproximación en cada instante.

El mismo concepto es aplicable también para otras velocidades rotacionales obtenibles con un número diferente de pulsos de corriente para efectuar una revolución.

La duración de la tercera etapa de arranque no es fija puesto que depende de la aplicación, el tipo de carga y los requisitos específicos. En un caso extremo podría no aplicarse, saltando directamente a la etapa final, es decir, la cuarta.

Cuarta etapa

La cuarta etapa se introduce teniendo ya una dirección precisa de rotación del rotor y una velocidad que podría ser un submúltiplo de la velocidad de sincronismo. En este punto se puede proseguir de dos formas diferentes, que, sin embargo, conducen al mismo resultado. La primera es utilizar solamente un devanado para sincronizar el motor a la frecuencia de la red, siendo la segunda utilizar ambos devanados 3, 4.

Es importante observar que los devanados 3, 4 no son idénticos, puesto que el motor es un motor síncrono monofase. El devanado principal 3 está diseñado para velocidades operativas constantes, mientras que el devanado auxiliar 4 está generalmente diseñado para operar solamente durante cortos períodos de arranque.

Dado que el par motor puede ser generado por ambos devanados, se deberá observar que el devanado auxiliar 4 es el devanado dominante, es decir, el devanado que proporciona un par mayor al motor (porque en general expresa una mayor fuerza electromotriz).

Por esta razón, en ambos casos indicados, cuando se hace que el motor sincronice con la frecuencia de la red, se sincroniza más a causa del efecto del par generado por los pulsos de corriente aplicados al devanado auxiliar 4 que a causa del efecto de los aplicados, si están presentes, al devanado principal 3, puesto que estos últimos son más débiles.

Si se elige utilizar solamente un devanado para la etapa de sincronización, es evidente por lo indicado que solamente recibe potencia el devanado auxiliar 4. A este respecto, se utiliza el algoritmo descrito en nuestra solicitud de patente italiana anterior MI94AO0941, es decir, para rotación hacia la izquierda se aplican pulsos de corriente positivos al devanado auxiliar 4 cuando el rotor está con su eje magnético dentro del arco de 180º entre el eje D-C y el eje C-D.

En contraposición, se aplican pulsos negativos de corriente cuando el eje magnético de rotor está dentro del arco de 180º entre el eje C-D y el eje D-C.

Para realizar esta operación la posición angular del rotor R debe ser conocida. Se deduce de la manera antes descrita de los voltajes inducidos a través de los devanados (figuras 1 a 4 y la descripción relativa).

En base a los datos relativos a la posición angular del rotor, se hace que los conmutadores estáticos 23, 24 conduzcan o no conduzcan, de la manera antes indicada (véase las señales 57 y 58).

El uso del devanado auxiliar 4 solamente para sincronizar el motor a la frecuencia de la red tiene la ventaja de que, dado que el par generado es más fuerte, el motor es capaz de alcanzar la velocidad de sincronismo incluso a un voltaje de suministro inferior al de régimen.

Esto significa que el motor poseerá una mayor facilidad para sincronización bajo carga, aunque haya oscilaciones principales para reducir el voltaje aplicado al límite de tolerancia permisible.

En el otro caso posible, en lugar de suministrar potencia solamente al devanado auxiliar 4, el devanado principal 3 también recibe potencia. El algoritmo usado, de nuevo para rotación hacia la izquierda y con referencia a la figura 8b, es idéntico en este caso; sin embargo, se debe observar que ahora ambos devanados 3 y 4 pueden recibir potencia, y en consecuencia los conmutadores electrónicos 23, 24 serán excitados en relación a la posición del eje magnético E-F del rotor R en uno de los cuatro cuadrantes formados por los ejes de los devanados.

Se aplica un pulso de corriente positivo al devanado principal 3 cuando el eje magnético de rotor E-F está en el cuadrante formado por los ejes C-D y B-A.

Se aplica un pulso de corriente positivo al auxiliar 4 cuando el eje magnético de rotor está dentro del cuadrante formado por los ejes A-B y C-D, mientras que se aplica un pulso de corriente negativo al mismo cuando el eje magnético de rotor está en el cuadrante formado por los ejes B-A y D-C.

La figura 8a muestra la secuencia de pulsos con referencia a un rotor R que al comienzo de la cuarta etapa está girando hacia la izquierda y cuyo eje magnético E-F ha pasado más allá del eje B-A.

Para el algoritmo se debería aplicar un pulso negativo al devanado auxiliar 4, pero el rotor ya ha pasado, por ejemplo, más allá del eje D-C antes de que el pulso negativo se pueda obtener de la red, por lo tanto ahora resulta necesario aplicar un pulso positivo al devanado principal 3. A este respecto, el momento de cierre del interruptor estático 23 durante el período de pulso positivo es visible en la figura 8a, en k.

El rotor sigue girando, y una vez que ha pasado más allá del eje A-B, se debe aplicar un pulso positivo al devanado auxiliar 4. De nuevo, no se puede obtener inmediatamente una polaridad positiva de la red y en consecuencia el rotor debe poder pasar más allá del eje C-D, cuando se debe aplicar un pulso negativo al devanado principal 3.

Para la dirección de rotación contraria se aplica el mismo procedimiento, con alimentación adecuada de los devanados.

El algoritmo que usan los dos devanados 3, 4 tiene en algunos casos la ventaja de poner el rotor en sincronismo dentro de un tiempo mucho más corto, y además es menos sensible a cambios bruscos del par aplicado.

En el caso de bombas para aparatos electrodomésticos, dado que pueden entrar burbujas de aire en la bomba durante el arranque, se producen efectivamente fuertes variaciones de par, siendo en consecuencia preferible aplicar el segundo algoritmo.

De nuevo en este caso, el rotor se sincroniza por el efecto de par generado por el devanado dominante, es decir, el devanado auxiliar 4.

Para el funcionamiento correcto del motor, si se ha puesto a velocidad de sincronismo con uno o dos devanados durante la primera parte de la cuarta etapa, el sincronismo se debe mantener ahora suministrando potencia solamente al devanado principal 3, diseñado para ello, desactivando definitivamente el devanado auxiliar 4 hasta el arranque siguiente.

La secuencia de operaciones requeridas es sumamente importante y se implementa después de un período de tiempo estimado adecuado según sea preciso para lograr sincronismo. Si las operaciones no se implementan de la manera descrita más adelante, el motor podría perder sincronismo, especialmente si recibe potencia a voltaje bajo.

Dado que los dos devanados difieren en fase 90 grados eléctricos y el rotor R se sincroniza con respecto al devanado auxiliar (dominante) 4 con un retardo dependiendo del ángulo de carga, es esencial que el eje magnético del devanado auxiliar 4 avance (90 grados eléctricos) con respecto al eje magnético A-B del devanado principal, con el resultado de que el eje magnético E-F del rotor R estará entre los dos devanados en el momento de transferir potencia entre los dos devanados.

De hecho, esto garantiza que el rotor se sincronice con el campo generado por el devanado principal 3, porque una vez que ha desaparecido el campo dominante del devanado auxiliar 4, el rotor R tiende a ralentizarse al instante, moviendo inevitablemente su eje magnético E-F con un retardo determinado por el ángulo de carga al eje magnético A-B del devanado principal 3, y permaneciendo "enganchado" a él.

Sin embargo, para evitar tal deceleración repentina del rotor, el algoritmo (figura 8a - comienzo de la segunda parte) realiza la alimentación simultánea de ambos devanados 3, 4 durante un semiperíodo de la frecuencia de la red antes de transferir la potencia al devanado principal 3, para generar un campo con un eje magnético intermedio entre los de los dos devanados 3, 4 y por lo tanto más próximo al eje magnético E-F del rotor.

Si no se respeta la condición descrita, es decir si el eje magnético del devanado principal avanza con respecto al magnético del devanado auxiliar (y, por lo tanto, del rotor), en el momento de transferir potencia, el eje de rotor tendrá que acelerar bruscamente bajo el pulso de un campo que es más débil que el seguido hasta ese momento, y esto puede dar lugar a pérdida de paso.

La figura 8a muestra la secuencia correcta que permite transferir potencia entre los dos devanados sin riesgo de pérdida de paso.

Una vez que el rotor se sincroniza con respecto al devanado principal 3, el motor opera a plena rpm, sincronizado a la frecuencia de la red.

En este punto termina el algoritmo de arranque.

En algunas aplicaciones, en las que el tiempo de inicio es muy corto, el devanado auxiliar se puede dimensionar con una cantidad mínima de cobre, reduciendo así el costo del motor.

Claims (11)

1. Método para arrancar y hacer funcionar, por medio de un circuito electrónico que actúa en conmutadores estáticos, un motor síncrono monofase con un rotor de imán permanente y dos devanados no necesariamente iguales que difieren en fase 90 grados eléctricos, en particular para poner en funcionamiento bombas de circulación para lavavajillas o análogos o para aplicaciones que requieren potencia baja e implican bajas cargas inerciales, caracterizado por incluir tres etapas, que consisten respectivamente en:

colocar a la fuerza el rotor (R) con su eje magnético (E-F) en una posición dada;

arrancar inicialmente el rotor (R) en una dirección definida aplicándole pulsos eléctricos, de voltaje o corriente;

sincronizar la velocidad del rotor (R) y mantenerla midiendo dos cantidades eléctricas representadas por el voltaje de alimentación (25) del motor (1) y el voltaje (70, 71) en los conmutadores estáticos (23, 24).

2. Un método según se reivindica en la reivindicación 1, donde entre la etapa de arrancar inicialmente el rotor en una dirección y la etapa de sincronización hay una etapa intermedia en la que el rotor (R) se hace girar a una velocidad inferior a la velocidad de sincronismo si la carga requiere estabilización inicial a menos rpm.

3. Un método según se reivindica en la reivindicación 1, donde esta medición, durante el funcionamiento, tiene lugar cuando los conmutadores estáticos están en su estado "abierto".

4. Un método según se reivindica en la reivindicación 3, donde la posición angular del rotor se determina en base al voltaje inducido en los devanados de motor por el flujo del rotor.

5. Un dispositivo basado en: a) un motor síncrono monofase (1) con un rotor de imán permanente (R) y dos devanados no necesariamente iguales (3, 4) que difieren en fase 90 grados eléctricos, en particular para poner en funcionamiento bombas de circulación para lavavajillas o análogos o para aplicaciones que requieren potencia baja e implican bajas cargas inerciales, y b) un circuito electrónico (69) para activar el motor mediante conmutadores estáticos (23, 24), caracterizado porque para iniciar el motor (1) en una dirección elegida, dicho circuito electrónico (69) incluye medios para poner a la fuerza el rotor (R) con su eje magnético (E-F) en una posición dada actuando en los conmutadores estáticos (23, 24); medios para aplicar, por medio de los conmutadores estáticos (23, 24), pulsos eléctricos de voltaje o corriente al motor para su arranque inicial en una dirección definida, y medios para sincronizar el rotor (R) y mantenerlo sincronizado por medio de los conmutadores estáticos (23, 24) en base a sus señales de posición obtenidas midiendo dos cantidades eléctricas representadas por el voltaje de alimentación (25) del motor (1) y el voltaje (70, 71) en los conmutadores estáticos (23, 24).

6. Un dispositivo según se reivindica en la reivindicación 5, incluyendo medios que actúan en los conmutadores estáticos para hacer que el rotor gire a una velocidad inferior antes de su sincronización final.

7. Un dispositivo según se reivindica en la reivindicación 5 o en las reivindicaciones 5 y 6, donde dichos medios que operan en los conmutadores estáticos se incluyen en o incluyen un microprocesador.

8. Un dispositivo según se reivindica en la reivindicación 5, donde el circuito electrónico mide el voltaje inducido en los devanados por el rotor mientras funciona.

9. Un dispositivo según se reivindica en la reivindicación 5 o en las reivindicaciones 5 y 8, donde el circuito electrónico efectúa la medición con los conmutadores estáticos "abiertos".

10. Un dispositivo como se reivindica en al menos una de las reivindicaciones 5 a 9, donde el circuito electrónico incluye un microprocesador.

11. Una bomba de circulación para lavavajillas operada por el dispositivo de la reivindicación 5 y por el método de la reivindicación 1.