ES2229078T3 - Dispositivo electronico para arrancar un motor sincrono de iman permanente. - Google Patents
Dispositivo electronico para arrancar un motor sincrono de iman permanente.Info
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Abstract
Motor (19) síncrono de imán permanente, que comprende: - un rotor que tiene un eje (9) geométrico de referencia que separa los polos norte y sur, y que tiene un eje de rotación, - un estator que tiene un eje (10) geométrico central perpendicular al eje de rotación del rotor, - una carga accionada por dicho motor, - un dispositivo electrónico para arrancar dicho motor, comprendiendo dicho dispositivo electrónico un medio (16) lógico de control, al menos un conmutador dispuesto en serie entre una fuente (18) externa de alimentación y dicho motor (19), y un medio (21) sensor apropiado para determinar la polaridad y posición del rotor de dicho motor (19), siendo apropiado dicho medio (16) lógico de control para enviar una señal excitadora a dicho medio (17) de conmutación como una función de una señal que llega desde dicho medio (21) sensor y de una señal de tensión de dicha fuente (18) externa de alimentación, caracterizado porque dicho medio (21) sensor está dispuesto en una superficie geométrica plana que forma un ángulo SH con la superficie geométrica plana definida por el eje de rotación y el eje (10) central, siendo la intersección entre ambos planos el eje de rotación, - el ángulo SH está determinado para satisfacer simultáneamente las ecuaciones 0 < SH < (180 + 0) y (R - L) < SH < (180 + R - L), donde: 0 es el ángulo del eje (9) de referencia del rotor con respecto al eje (10) central cuando el rotor está en reposo, R es el ángulo del eje (9) de referencia del rotor con respecto al eje (10) central cuando dicho motor gira y la tensión de alimentación cruza la tensión cero, y L es el desplazamiento de fase entre la tensión de la alimentación y la corriente que circula en las bobinas de dicho motor.
Description
Dispositivo electrónico para arrancar un motor
síncrono de imán permanente.
La presente invención se refiere a un dispositivo
electrónico para arrancar un motor síncrono de imán permanente.
Se sabe que un motor síncrono de imán permanente,
particularmente en su realización monofásica con un estator similar
a un diapasón y un rotor de imán permanente, tiene importantes
problemas durante el arranque, debido al hecho de que el rotor pasa
de una condición en la que su velocidad es cero a una condición en
la que está sincronizada en frecuencia con la fuente de alimentación
eléctrica.
Por ejemplo, si la frecuencia de la fuente de
alimentación de energía es de 50 ó 60 Hz, el rotor debería alcanzar
una velocidad síncrona en un tiempo igual a un semiperiodo. No
obstante, esto es muy problemático, especialmente cuando el rotor
tiene un momento de inercia significativo y el par motor de
contraste de la carga aplicada no es cero.
Con fines de superar todas estas limitaciones, se
han ideado varias soluciones utilizando circuitos electrónicos para
este propósito; en particular, el documento
EP-0574823, del mismo solicitante, describe un
dispositivo electrónico para arrancar un motor síncrono de imán
permanente cuya particularidad es que es especialmente simple y
puede fabricarse a bajo coste.
Dicha patente describe cómo el dispositivo
electrónico para arrancar el motor síncrono de imán permanente
detecta la posición del rotor por medio de un sensor apropiadamente
previsto, ayudado por el sistema lógico de circuito de control, el
cual, controlando un conmutador estático, tal como por ejemplo un
triac, decide si suministrar energía o no al devanado del estator
dependiendo de la polaridad de la tensión de la fuente de
alimentación de energía en un momento dado, generando de este modo
un flujo magnético del estator. Este flujo, al interactuar en el
campo magnético generado por el rotor, produce un par motor que es
capaz de acelerar el rotor en un sentido de rotación dado hasta que
se alcanza y se mantiene la velocidad síncrona típica de la fuente
de energía eléctrica externa, como por ejemplo, 50 ó 60 Hz.
La patente anteriormente mencionada enseña que
para tener siempre la condición de máximo par motor durante el
transitorio de arranque, y por tanto tener el tiempo mínimo de
sincronización del rotor, la señal de posición del rotor debe
procesarse en un bloque de circuitos apropiadamente proporcionado
con fines de adaptar, variando la sincronización, la conmutación al
modo de conducción del triac que suministra energía a la bobina del
estator al desplazamiento de fase que se produce entre la tensión de
la fuente externa de alimentación de energía y la corriente que
circula en la bobina, que tiene la misma fase que el flujo magnético
del estator.
El bloque de circuitos que determina este
desplazamiento de fase se conoce como red desfasadora.
La ausencia de la red desfasadora permite que el
conmutador estático (por ejemplo, el triac) funcione sólo cuando se
dan unas condiciones teóricas, es decir, la posición del rotor y la
tensión de la red de alimentación de energía, pero no cuando se dan
unas condiciones reales, es decir, la posición del rotor y la
corriente que circula en la bobina del estator.
La consecuencia directa de esto es la generación
de pares motor máximos que contrastan la rotación del rotor y de
pares motores que tienen un valor medio inferior en el semiperiodo y
el periodo, con referencia a la tensión de la fuente de alimentación
de energía eléctrica.
Por consiguiente, el transitorio de arranque del
motor se ve comprometido para cargas de contraste elevadas. Por
tanto, la red desfasadora tiene la tarea de garantizar el máximo par
motor disponible en el árbol motor durante el transitorio de
arranque, permitiendo además el acoplamiento del motor a cargas de
contraste que son de media más elevadas durante la
sincronización.
No obstante, la solución anteriormente descrita,
que es el asunto de la patente anteriormente mencionada, aunque es
ventajosa en cuanto al rendimiento, tiene inconvenientes y
limitaciones que se deben principalmente al hecho de que la red
desfasadora se proporciona por medio de componentes electrónicos
pasivos comerciales de clase estándar, es decir, de bajo coste, en
los que las tolerancias de fabricación con referencia a parámetros
nominales de funcionamiento se ven inevitablemente alteradas
adicionalmente por el proceso industrial de montaje, cuya
combinación determina, para determinadas aplicaciones del motor
síncrono de imán permanente, un régimen de funcionamiento que es tan
estrecho que obliga a utilizar componentes electrónicos de un coste
y clase superiores. Naturalmente, esto conlleva la pérdida o
reducción de los beneficios funcionales buscados con el dispositivo
según la patente anteriormente mencionada. Además, los mismos
componentes electrónicos están sometidos, durante su vida y como
consecuencia de variaciones de temperatura, a desviaciones de sus
valores nominales que limitan más el intervalo utilizable de
producción. Una solución conocida adicional de la técnica anterior
se describe en la patente estadounidense nº 5.675.226 relativa a un
circuito de control para arrancar un motor y que comprende un triac
en serie con un devanado del estator del motor a través de las
terminales de una fuente de tensión alterna.
Un sensor fijo está asociado con el rotor para
proporcionar una señal indicativa de la polaridad magnética de la
parte del rotor que está orientada hacia el sensor. Un sensor
adicional proporciona la polaridad de la fuente de tensión alterna,
y un circuito de excitación está conectado al triac para accionar el
motor según la posición instantánea del rotor y la polaridad de la
tensión de suministro.
El objetivo de la presente invención es
proporcionar un dispositivo electrónico para arrancar un motor
síncrono de imán permanente que minimice los inconvenientes causados
por la tolerancia de los componentes electrónicos utilizados en el
circuito de control y de arranque del motor.
Dentro de este objetivo, un objeto de la presente
invención es proporcionar un dispositivo electrónico para arrancar
un motor síncrono de imán permanente que sea estable en el tiempo y
apenas sensible a variaciones de la temperatura de
funcionamiento.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar un dispositivo electrónico para arrancar un motor
síncrono de imán permanente que permita eliminar la red desfasadora
proporcionada por medio de componentes electrónicos analógicos,
reduciendo de este modo el coste final del dispositivo.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar un dispositivo electrónico para arrancar un motor
síncrono de imán permanente en el que se reduzca el número total de
componentes del circuito.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar un dispositivo electrónico para arrancar un motor
síncrono de imán permanente que sea muy fiable, relativamente simple
de fabricar y a costes competitivos.
Este objetivo y estos y otros objetos que
resultarán más evidentes en lo sucesivo se consiguen mediante un
dispositivo electrónico para arrancar un motor síncrono de imán
permanente, que comprende un medio lógico de control, al menos un
conmutador dispuesto en serie entre una fuente de alimentación de
energía y un motor síncrono de imán permanente, un medio sensor
apropiado para determinar la polaridad y la posición del rotor de
dicho motor, caracterizado porque dicho medio lógico de control es
adecuado para enviar una señal excitadora a dicho medio de
conmutación como función de una señal que llega de dicho medio
sensor y de una señal de tensión de dicha fuente de alimentación de
energía.
Características y ventajas adicionales resultarán
evidentes de la descripción de una realización del dispositivo de
arranque según la presente invención, ilustrada únicamente a título
de ejemplo no limitativo en los dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 es una vista esquemática de un motor
síncrono de imán permanente apropiado para ser arrancado con un
dispositivo según la presente invención;
La figura 2 es una vista a escala ampliada del
rotor y de los polos del motor de la figura 1, que ilustra
adicionalmente la posición de un sensor para determinar la posición
angular del rotor y la polaridad;
La figura 3 es un diagrama de bloques del
dispositivo de arranque según la presente invención;
La figura 4 es una vista de la posición inactiva
del rotor con referencia al eje central del estator;
La figura 5 es una vista de la posición del rotor
en una ubicación diferente, en la que se produce una rotación
correcta y un cruce por cero de la tensión de la fuente de
alimentación de energía; y
La figura 6 es una vista de la posición del rotor
en una condición en la que se produce el sentido correcto de
rotación y el cruce por cero de la corriente que circula en las
bobinas del estator.
Con referencia a las figuras, el motor síncrono
con el que puede estar asociado el dispositivo de arranque según la
presente invención está compuesto de un conjunto 1 de estator dotado
con dos polos no equilibrados con un hueco 4, 5, 6, 7
asimétrico.
En esta configuración, el rotor dispone su eje 9
de referencia, que separa de forma ideal el norte del sur, en una
posición que no coincide con el eje 10 central, tal como sucedería
si los polos del estator fuesen perfectamente simétricos, para
inclinar el eje 9 en un determinado ángulo con fines de facilitar la
unidireccionalidad del rotor durante el arranque.
Las bobinas 13 y 14 de excitación están
respectivamente insertadas en las prolongaciones del conjunto de
estator y están conectadas en serie, por medio de terminales 15, a
la fuente de alimentación de energía CA.
El circuito electrónico de alimentación de
energía se muestra esquemáticamente en el diagrama de bloques de la
figura 3 y está compuesto de un medio 16 lógico de control para un
conmutador estático de energía, por ejemplo un triac, que está
dispuesto en serie entre la fuente 18 de alimentación de energía CA
y el motor síncrono de imán permanente.
Un medio 21 sensor determina la polaridad y
posición del rotor de imán permanente del motor 19 síncrono cuando
está girando o situado en la condición de reposo en la que su
velocidad es cero.
La señal de salida del medio 21 sensor entra en
el medio 16 lógico de control por medio de una entrada 23, mientras
que una segunda señal que entra en el medio 16 lógico de control
está representada por la tensión de la fuente de alimentación de
energía eléctrica, la entrada 24.
El medio 16 lógico de control comprende un
circuito lógico programable o discreto que, tras realizar una
conversión digital de las señales 23 y 24 analógicas que llegan
respectivamente procedentes del medio 21 sensor y de la fuente de
alimentación de energía, determina, por medio de una señal
apropiada, la apertura o cierre del conmutador 17 estático conectado
en serie al motor 19.
La señal que llega del medio 21 sensor, que puede
ser convenientemente de tipo de efecto Hall, entra en el medio 16
lógico de control por medio de la entrada 23 y se procesa sin
introducir ninguna variación de fase que retrase o avance su
posición relativa con respecto a los puntos de cruce por cero de la
corriente o de la tensión.
La figura 4 ilustra la disposición del medio 21
sensor. En el caso mostrado en las figuras 4, 5 y 6, únicamente por
convención, se supone que el medio 16 lógico de control activa la
corriente del estator mediante el conmutador 17 estático, para
generar un campo magnético que favorezca una rotación en sentido
antihorario del rotor (indicada por la flecha 45) sólo si el medio
21 sensor se orienta hacia el polo sur del rotor de imán
permanente.
De este modo, se define un eje 39 de referencia
que representa el eje central del estator, y los siguientes ángulos
también se definen y consideran positivos cuando el arco entre el
eje 39 y la posición angular del medio 21 sensor es horario, con las
figuras 4, 5 y 6 como referencia:
\varphi_{0} = ángulo del rotor en reposo,
indicado con el número de referencia 40
\varphi_{SH} = posición del sensor Hall,
indicado por el número de referencia 41
\varphi_{R} = desplazamiento de fase del
rotor en cruce por cero de la tensión, indicado por el número de
referencia 42
\theta_{L} = desplazamiento de fase entre la
tensión de la fuente externa de alimentación de energía y la
corriente que circula en las bobinas del estator, denominado ángulo
de carga e indicado con el número de referencia 43.
La figura 6 también muestra, e indica con el
número de referencia 43, el desplazamiento \theta_{L} de fase
entre la tensión de la fuente externa de alimentación de energía y
la corriente que circula en las bobinas del estator, que se calcula
como el ángulo entre el eje 9b, que representa la posición del eje 9
en el momento del cruce por cero de la corriente, y el eje 9a, que
representa la posición del eje 9 en el momento de cruce por cero de
la tensión, mostrado a título de ejemplo en la figura 5.
Por tanto, se definen los siguientes valores
matemáticos:
Margen \varphi_{M0} estático de fase: ángulo
entre la posición del sensor y el eje del imán en reposo
A) \varphi_{M0} = \varphi_{SH} -
\varphi_{0}
Margen de fase para una rotación \varphi_{MC}
correcta en cruce por cero de la corriente
B) \varphi_{MC} = \varphi_{SH}-
\varphi_{R}+ \theta_{L}
En las condiciones de sincronización y arranque
representadas hasta ahora, el margen estático de fase y el margen
correcto de rotación de fase deberían tener el valor absoluto más
alto posible; en este caso, uno positivo.
El ángulo \theta_{L} de desplazamiento de
fase depende de la velocidad del rotor y de la carga aplicada al
motor.
La particularidad de la invención es que se
establecen valores del ángulo \varphi_{0} en reposo del rotor y
del ángulo \varphi_{SH} de la posición del medio sensor que,
debido a la ausencia de una red desfasadora y a la exclusividad de
la posición \varphi_{SH} del medio 21 sensor, determinan las
ecuaciones A y B de forma unívoca.
La ecuación B enseña que existe un valor óptimo
de la posición del medio 21 sensor, \varphi_{SH}, que depende
del ángulo \theta_{L}, que en ausencia de desplazamiento de fase
está determinado únicamente por la carga aplicada, y es capaz de
optimizar el acoplamiento entre el motor 19 síncrono de imán
permanente y la carga aplicada hasta el máximo nivel posible.
La ecuación A proporciona la posición
\varphi_{SH} exacta del medio sensor, que es la posición
determinada mecánicamente, tal como se ha ejemplificado en la figura
2.
Durante el arranque del motor síncrono, es
conveniente tener el margen \varphi_{M0} de fase estático más
elevado posible. Esta condición, una vez que se ha establecido un
ángulo \varphi_{0} de reposo del rotor que depende de la
geometría de las piezas de polo del estator, lleva a la provisión
del ángulo máximo de colocación del medio 21 sensor,
\varphi_{SH}, que está dentro del intervalo de valores dado por
las siguientes fórmulas:
C) \varphi_{0} < \varphi_{SH} <
(180 + \varphi_{0})
D) (\varphi_{R} - \theta_{L}) <
\varphi_{SH} < (180 + \varphi_{R} - \theta_{L})
donde la primera ecuación define el
límite del ángulo de arranque, mientras que la segunda ecuación
define el límite del ángulo de
funcionamiento.
Durante la sincronización, el margen de fase para
una correcta rotación está determinado de forma unívoca por la
ecuación B; una vez que se ha determinado la posición
\varphi_{R} del rotor en un instante dado, se descubre que los
valores máximos de \varphi_{SH} comprendidos en el intervalo
definido por la ecuación C están asociados con valores mínimos del
ángulo \theta_{L} de carga del rotor, que corresponden con
cargas de bajo contraste, que es lo opuesto a lo que se pretende.
Por tanto, la condición de arranque y la condición síncrona definen
un valor óptimo para \varphi_{SH} que satisface simultáneamente
las ecuaciones C y D, tal como para determinar una señal (23) (que
llega del medio (21) sensor) que está optimizada para un motor dado
y una carga dada accionada por dicho motor.
Sustancialmente, el dispositivo según la presente
invención proporciona un desplazamiento de fase mecánico, obtenido
colocando apropiadamente el medio 21 sensor con un ángulo de
colocación que está en el intervalo de valores determinado por las
fórmulas C y D anteriormente mencionadas.
El dispositivo concebido de este modo es
susceptible de numerosas modificaciones, todas las cuales están
dentro del alcance del concepto inventivo definido por las
reivindicaciones adjuntas al presente documento; todos los detalles
pueden ser sustituidos adicionalmente por otros elementos
técnicamente equivalentes.
Cuando las características técnicas mencionadas
en cualquier reivindicación vienen seguidas por símbolos de
referencia, esos símbolos de referencia se han incluido con el único
propósito de aumentar la inteligibilidad de las reivindicaciones, y
por consiguiente, tales signos de referencia no tienen efecto
limitativo alguno sobre el alcance de cada elemento identificado a
título de ejemplo por tales símbolos de referencia.
Claims (8)
1. Motor (19) síncrono de imán permanente, que
comprende:
- un rotor que tiene un eje (9) geométrico de
referencia que separa los polos norte y sur, y que tiene un eje de
rotación,
- un estator que tiene un eje (10) geométrico
central perpendicular al eje de rotación del rotor,
- una carga accionada por dicho motor,
- un dispositivo electrónico para arrancar dicho
motor, comprendiendo dicho dispositivo electrónico un medio (16)
lógico de control, al menos un conmutador dispuesto en serie entre
una fuente (18) externa de alimentación y dicho motor (19), y un
medio (21) sensor apropiado para determinar la polaridad y posición
del rotor de dicho motor (19), siendo apropiado dicho medio (16)
lógico de control para enviar una señal excitadora a dicho medio
(17) de conmutación como una función de una señal que llega desde
dicho medio (21) sensor y de una señal de tensión de dicha fuente
(18) externa de alimentación, caracterizado porque dicho
medio (21) sensor está dispuesto en una superficie geométrica plana
que forma un ángulo \varphi_{SH} con la superficie geométrica
plana definida por el eje de rotación y el eje (10) central, siendo
la intersección entre ambos planos el eje de rotación,
- el ángulo \varphi_{SH} está determinado
para satisfacer simultáneamente las ecuaciones \varphi_{0} <
\varphi_{SH} < (180 + \varphi_{0}) y (\varphi_{R} -
\theta_{L}) < \varphi_{SH} < (180 + \varphi_{R} -
\theta_{L}), donde:
\varphi_{0} es el ángulo del eje (9) de
referencia del rotor con respecto al eje (10) central cuando el
rotor está en reposo,
\varphi_{R} es el ángulo del eje (9) de
referencia del rotor con respecto al eje (10) central cuando dicho
motor gira y la tensión de alimentación cruza la tensión cero, y
\theta_{L} es el desplazamiento de fase entre
la tensión de la alimentación y la corriente que circula en las
bobinas de dicho motor.
2. Motor (19) síncrono de imán permanente según
la reivindicación 1, caracterizado porque dicho ángulo
\varphi_{SH} es igual al margen de fase para una rotación
\varphi_{Mc} correcta en cruce por cero de la corriente menos
dicho desplazamiento \theta_{L} de fase entre la tensión de la
fuente de alimentación y la corriente que circula en las bobinas de
dicho motor más dicho ángulo \varphi_{R}, es decir, la ecuación
\varphi_{SH} = \varphi_{Mc} - \theta_{L} +
\varphi_{R}.
3. Motor (19) síncrono de imán permanente según
la reivindicación 1, caracterizado porque dicho medio (21)
sensor está dispuesto, con respecto a dicho eje (39) central del
estator de dicho motor de imán permanente, en una posición angular
fija, de manera que un margen \varphi_{MO} de fase estático, que
es el ángulo entre la posición de dicho medio (21) sensor y el eje
de los imanes de dicho motor cuando está en reposo, es
constante.
4. Motor (19) síncrono de imán permanente según
una o más de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque dicho medio (17) de conmutación comprende un conmutador
estático.
5. Motor (19) síncrono de imán permanente según
una o más de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque dicho medio (16) lógico de control realiza una conversión
analógica a digital de dicha señal (24) de tensión de la fuente de
alimentación y de dicha señal (23) que llega desde dicho medio (21)
sensor.
6. Motor (19) síncrono de imán permanente según
una o más de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque dicho medio (21) sensor comprende un sensor de efecto
Hall.
7. Motor (19) síncrono de imán permanente según
una o más de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque dicha fuente (18) externa de alimentación es una fuente de
alimentación de CA.
8. Motor (19) síncrono de imán permanente según
una o más de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque dicho medio de conmutación comprende un triac.
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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Family Applications (1)
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