ES2246427T3

ES2246427T3 - Controlador de motor lineal.

Info

Publication number: ES2246427T3
Application number: ES02803577T
Authority: ES
Inventors: Ian Campbell Mcgill; Zhuang Tian
Original assignee: Fisher and Paykel Appliances Ltd
Current assignee: Fisher and Paykel Appliances Ltd
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2022-11-07
Also published as: US7285878B2; WO2003044365A1; KR20050044555A; MXPA04004585A; JP3989901B2; NZ515578A; US20050168179A1; US20030173834A1; EP1446579A1; DE60206651T2; CN1589371A; EP1446579B1; KR100587795B1; JP2005509796A; TW580536B; ATE306616T1; CA2466304A1; US6954040B2; TW200300480A; BR0214292B1

Abstract

Un compresor de gas de pistón libre que comprende: un cilindro (9), un pistón (11), siendo dicho pistón (9) móvil de manera alternativa dentro de dicho cilindro (11), un motor eléctrico lineal alternativo acoplado con accionamiento a dicho pistón (11), que tiene al menos un arrollamiento de excitación (202), caracterizado por medios (204) para obtener una medida indicativa del período de alternancia de dicho pistón, medios (206) para detectar cualquier cambio súbito en dicho período de alternancia, siendo dicha reducción indicativa de una colisión del pistón con la culata del cilindro, y medios (208) para reducir la potencia de entrada a dicho arrollamiento de excitación en respuesta a cualquier cambio súbito en el período de alternancia que sea detectado.

Description

Controlador de motor lineal.

Campo de la invención

Esta invención trata de un controlador para un motor lineal utilizado para accionar un compresor y en particular, pero no únicamente, un compresor de un frigorífico.

Sumario de la técnica anterior

Los motores de compresor lineales operan gracias a un arrollamiento móvil o a un imán móvil y, cuando están conectados a un pistón como en un compresor, requieren un control preciso de la amplitud de la carrera dado que, al contrario que en compresores más convencionales que emplean un eje de cigüeñal, la amplitud de la carrera no es fija. La aplicación de un exceso de potencia al motor para las condiciones del fluido que va a ser comprimido pueden ocasionar que el pistón colisione con la culata del cilindro en el que está localizado.

El documento EP0909896 describe un compresor lineal en el que se mantiene una separación entre un pistón y un cilindro para prevenir las colisiones y para mejorar la eficiencia. Se describen una variedad de técnicas que incluyen el control de la posición del pistón y de los parámetros de operación externos para modificar la amplitud de las oscilaciones del pistón. El documento WO00/79671 describe un sistema de control para compresores de pistón libre que limita la potencia del motor en función de las propiedades el refrigerante que entra en el compresor.

Sin embargo, en algunos sistemas de refrigeración de pistón libre puede ser útil detectar una colisión del pistón cuando ésta ocurre y en consecuencia responder reduciendo la potencia del motor. Tal estrategia podría ser utilizada únicamente para prevenir daños en el compresor, cuando se produce un exceso de potencia del motor por cualquier razón, o podría ser utilizada como un medio para asegurar una alta eficiencia volumétrica. En relación a esto último específicamente, un compresor podría ser accionado con la potencia ajustada a ligeramente inferior a la que causaría las colisiones del pistón, para asegurar que el pistón opere con el mínimo de volumen de separación de la culata. Minimizar la separación de la culata minimizando el volumen de separación de la culata conduce a una eficiencia volumétrica aumentada.

Sumario de la invención

Es un objeto de la invención presente proporcionar un controlador para un motor lineal que se aproxime a la consecución de los requisitos mencionados más arriba.

De acuerdo con un aspecto de la invención se puede decir, en sentido amplio, que consiste en un compresor de gas de pistón libre que comprende:

: un cilindro,

: un pistón,

: siendo dicho pistón alternativo interior a dicho cilindro,

: un motor eléctrico lineal alternativo acoplado a dicho pistón teniendo al menos una bobina de excitación, caracterizado por

: medios para obtener una medida indicativa del período de alternancia de dicho pistón,

: medios para determinar cualquier cambio súbito en dicho período de alternancia, siendo dicha reducción indicativa de una colisión del pistón con la culata del cilindro, y

: medios para reducir la potencia de entrada a dicha bobina de excitación en respuesta a cualquier cambio súbito en el período de alternancia que se ha detectado.

Preferiblemente dicho motor es un motor de corriente continua.

Preferiblemente dicho compresor comprende además medios de detección de la fuerza contraelectromotriz para controlar la fuerza contraelectromotriz inducida en dicha al menos una bobina de excitación cuando la corriente de excitación está circulando, medios de detección de paso por cero conectados con la salida de dichos medios de detección de la fuerza contraelectromotriz, y medios de cronometraje que determinan la duración del intervalo entre pasos por cero para determinar de esta manera la duración de cada medio ciclo alternativo de dicho pistón, y medios para sumar la duración de dos medios ciclos sucesivos para proporcionar dicho período de alternancia.

Preferiblemente, los medios para detectar cualquier cambio súbito en el período de alternancia incluyen medios para producir valores discretos filtrados o nivelados de las duraciones de los medios ciclos alternativos, medios para sumar los dos valores filtrados de las duraciones de los medios ciclos alternativos para producir un valor filtrado del período de alternancia, medios para comparar el período de alternancia medido en último lugar con dicho valor filtrado del período de alternancia para proporcionar un valor de diferencia, y medios para determinar si dicho valor de diferencia está por encima de un umbral predeterminado para un período predeterminado.

Preferiblemente, dicho compresor incluye además medios para aumentar progresivamente la potencia de entrada a dicho motor durante un período de tiempo como respuesta a una reducción en la potencia de entrada.

En un segundo aspecto de la invención presente se puede decir, de una manera amplia, que consiste en un método para controlar la desviación de inducido en un motor lineal alternativo caracterizado por los pasos de:

: determinar el período de alternancia de dicho inducido,

: detectar cualquier cambio súbito en dicho período de alternancia, y

: reducir la potencia de entrada a dicho motor lineal en respuesta a cualquier reducción súbita que se detecte del período de alternancia.

Preferiblemente, dicho paso de determinar dicho período de alternancia incluye el paso de detectar los pasos por cero de la fuerza contraelectromotriz en dicho motor lineal, y determinar dicho período de alternancia por el intervalo de tiempo entre ellos.

Preferiblemente, dicho paso de detectar cualquier cambio súbito en dicha duración del período incluye el paso de restar dicha duración del período de un valor filtrado o nivelado para proporcionar un valor de diferencia, y si dicho valor de diferencia está por encima de un valor de umbral predeterminado durante un período predeterminado, reducir la potencia de entrada a dicho motor lineal.

Preferiblemente, tras la reducción de la potencia de entrada a dicho motor, la potencia del motor se aumenta progresivamente durante un período de tiempo hasta que se detecte nuevamente un cambio súbito en la duración del período de alternancia.

Para aquellos instruidos en la técnica a la que se refiere la invención, será fácil idear muchas variaciones diferentes en la construcción y realizaciones y aplicaciones de la invención, sin separarse del objeto de la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas. Las descripciones y explicaciones dadas a continuación son puramente ilustrativas y no intentan ser de ninguna manera limitativas.

La invención consiste en lo que se explica a continuación, y también se apuntan construcciones de las que a continuación se dan ejemplos.

Breve descripción de los dibujos

Una forma preferida de la invención será descrita a continuación mediante referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

la Figura 1 es una vista en corte de un compresor lineal de acuerdo con la invención presente,

la Figura 2 es una vista en corte del motor lineal de doble arrollamiento de la invención presente, presentado aislado,

la Figura 3 es una vista en corte de un motor lineal de arrollamientos sencillo,

la Figura 4 es un diagrama de bloques del compresor de gases de pistón libre y del controlador asociado de la invención presente,

la Figura 5 es un diagrama de flujo que muestra los procesos de control usados por dicho controlador,

la Figura 6 muestra un gráfico de la fuerza contraelectromotriz del motor del compresor en función del tiempo, y

la Figura 7 muestra un gráfico del período de alternancia del pistón en función del tiempo.

Descripción de las realizaciones preferidas

La invención presente proporciona un método para controlar un compresor alternativo de pistón libre movido por un motor lineal del tipo mostrado en la Figura 1. En primer lugar tiene un tamaño reducido comparado con el motor lineal convencional del tipo descrito en el documento US4602174, y por tanto un coste inferior. Este cambio mantiene una alta eficiencia para una salida de potencia de baja a media, a costa de una eficiencia ligeramente inferior a una salida de potencia alta. Este es un compromiso aceptable para un compresor de un frigorífico doméstico, que funciona a una salida de potencia baja a media la mayoría del tiempo, y a una potencia de salida alta menos del 20% del tiempo (esto ocurre durante períodos de carga y descarga del contenido del frigorífico frecuente, o en días muy calurosos). En segundo lugar utiliza una estrategia de control que permite una eficiencia de operación optimizada, mientras evita la necesidad de sensores externos, lo que también reduce el tamaño y el coste.

Aunque en la descripción que sigue la invención presente se describe aplicada a un motor lineal cilíndrico, se debe entender que este método es aplicable igualmente a un motor lineal en general, y en particular también a motores lineales planos, véase por ejemplo nuestra solicitud de patente internacional Nº PCT/NZ00/00201, cuyo contenido se incorpora aquí como referencia. Alguien versado en la técnica no necesitará un esfuerzo especial para aplicar la estrategia de control descrita aquí a cualquier forma de motor lineal. El compresor mostrado en la Figura 1, incluye un motor lineal de imán permanente conectado a un compresor de pistón libre alternativo. El cilindro 9 está soportado por un muelle de cilindro 14 dentro de la carcasa del compresor 30. El pistón 11 está soportado radialmente por el cojinete formado por el interior del cilindro más su muelle 13 a través de la unión del muelle 25. Los cojinetes pueden estar lubricados por cualquiera de los numerosos métodos conocidos en la técnica, por ejemplo el cojinete de gas descrito en nuestra solicitud de patente internacional Nº PCT/NZ00/00202, o el cojinete de aceite descrito en la patente internacional publicada Nº WO00/26536, estando el contenido de ambas incorporado aquí como referencia. Igualmente, la invención presente es aplicable a sistemas alternativos diferentes. Por ejemplo, aunque a continuación se describe un compresor con un sistema de muelle combinado gas/mecánico, se puede aplicar la invención presente a un sistema de muelle totalmente mecánico o totalmente de gas.

El movimiento alternativo del pistón 11 dentro del cilindro 9 aspira el gas a través de un tubo de succión 12, a través de una abertura de succión 26, a través de un silenciador 20, y a través de una entrada con una válvula de aspiración 24 situada en una placa de válvula 21, al interior de un espacio de compresión 28. El gas comprimido parte a continuación a través de una salida con una válvula de descarga 23, se silencia en un silenciador de descarga 19, y sale a través de un tubo de descarga 18.

El motor del compresor comprende un estator de dos partes 5, 6 y un inducido 22. La fuerza que genera el movimiento alternativo del pistón 11 proviene de la interacción de dos imanes permanentes anulares 3, 4, magnetizados radialmente, en el inducido 22 (fijada al pistón 11 mediante una brida 7), y del campo magnético en un espacio de separación de aire 33 (inducido por el estator 6 y las bobinas 1, 2).

La versión de dos bobinas del motor de compresor mostrado en la Figura 1, y mostrado de forma aislada en la Figura 2, tiene un flujo de corriente en la bobina 1, que crea un flujo que fluye axialmente a lo largo del interior del estator 6, radialmente hacia el exterior a través del diente 32 del extremo del estator, a través del espacio de separación de aire 33, y a continuación entra en el entrehierro 5. A continuación fluye axialmente durante una distancia 27 corta, antes de fluir radialmente hacia el interior a través de la separación de aire 33 y de nuevo hacia el centro del diente 34 del estator 6. La segunda bobina 2 crea un flujo que fluye radialmente hacia el interior a través del diente 34 central, a través de la separación de aire axialmente durante una distancia 29 corta, y hacia fuera a través de la separación de aire 33 hasta el diente 35 del extremo. El flujo que cruza la separación de aire 33 desde el diente 32 induce una fuerza axial en los imanes 3, 4 magnetizados radialmente, suponiendo que la magnetización del imán 3 es de polaridad opuesta a la del imán 4. Se puede apreciar que en lugar del entrehierro 5 sería posible también tener otro juego de bobinas en los lados opuestos de los imanes.

Una corriente oscilante en las bobinas 1 y 2, no necesariamente sinusoidal, crea una fuerza oscilante en los imanes 3, 4 que dará a los imanes y al estator un movimiento relativo sustancial supuesto que la frecuencia de oscilación está próxima a la frecuencia natural del sistema mecánico. Esta frecuencia natural está determinada por la dureza de los muelles 13, 14 y por la masa del cilindro 9 y estator 6. La fuerza oscilante sobre los imanes 3, 4 crea una fuerza de reacción en las piezas del estator. Por tanto, el estator 6 debe estar fijado rígidamente al cilindro 9 por adhesivo, encaje a presión o por grapas, etc. El hierro de fondo está grapado o pegado al conjunto de estator 17. El conjunto de estator 17 está conectado rígidamente con el cilindro 9.

En la versión del motor de compresor de bobina sencilla, mostrado en la Figura 3, la corriente en el arrollamiento 109 crea un flujo que fluye axialmente a lo largo del interior del estator 110 interno, radialmente hacia fuera a través de un diente 111, a través de la separación de imán 112, y entra en el entrehierro 115. A continuación fluye axialmente durante una distancia corta, antes de fluir radialmente hacia dentro a través de la separación de imán 112, y de nuevo al diente exterior 116. En este motor todo el imán 122 tiene la misma polaridad en su magnetización radial.

Estrategia de control

Se ha establecido experimentalmente que un compresor de pistón libre es más eficiente cuando se acciona a la frecuencia natural del sistema pistón-muelle del compresor. Sin embargo, además del muelle metálico provisto deliberadamente, hay un muelle de gas inherente, cuya constante de muelle efectiva, en el caso de un compresor de frigorífico, varía cuando varían las presiones tanto del evaporador como del condensador. El motor de imán permanente conmutado electrónicamente antes descrito, se controla usado técnicas que incluyen aquellas derivadas de la experiencia de los reivindicantes en motores de imán permanente conmutados electrónicamente, como se describe por ejemplo en la patente internacional publicada Nº WO01/79671, cuyo contenido se incorpora aquí como referencia.

Cuando el motor lineal se controla como se describe en WO01/79671 es posible que la potencia de entrada al compresor aumente hasta un nivel donde la carrera del pistón (11, en la Figura 1) provoque una colisión con la culata del cilindro (9, en la Figura 1). Cuando esto ocurre (véase en la Figura 7, la primera colisión 302) el período de alternancia 300 del pistón se reduce en comparación a un valor filtrado o amortiguado 308. Más importante aún, debido a que el período del pistón consta de dos medios períodos 304, 306, entre el punto muerto inferior y el centro y el punto muerto superior y el centro, los medios períodos no son simétricos. El medio período partiendo de la culata 304 es más corto que el período de movimiento hacia la culata 306, aunque ambos medios períodos reducen su duración siempre que ocurre una colisión del pistón (segunda colisión 310). En la realización preferida de la invención presente se provee un detector de colisión mediante la monitorización de las duraciones de medio período, y cuando se detecta cualquier reducción en la duración de medio período indicativa de una colisión, se reduce como repuesta la potencia de entrada.

Se puede apreciar también que la invención presente es aplicable igualmente a diversas aplicaciones. Es deseable, en cualquier motor lineal alternativo, limitar o controlar la magnitud máxima de la carrera. Para que se pueda aplicar la invención presente, el sistema requiere una fuerza restauradora, por ejemplo un sistema de muelle o gravedad, que cause el movimiento alternativo, y algún cambio en el sistema mecánico o eléctrico que cause un cambio en el período de alternancia eléctrico cuando se alcanza una cierta magnitud del periodo de alternancia.

En el sistema de control de pistón preferido mostrado en la Figura 4, se usa el control de la fuerza contraelectromotriz para detectar el período eléctrico de alternancia. Como se ha descrito anteriormente, el controlador de corriente 208 recibe entradas del compresor 210, del detector de fuerza contraelectromotriz 204 y del detector de colisiones 206. Aunque en la realización preferida de la invención presente el controlador de corriente 208, el detector de fuerza contraelectromotriz 204 y el detector 206 de colisión están implementados en el software almacenado en el microprocesador 212, podrían estar implementados igualmente en un módulo sencillo o en una circuitería analógica discreta. El detector de colisión 206 recibe datos del período eléctrico desde el detector de fuerza contraelectromotriz 204, permitiéndole de esta manera detectar sobredisparo, o más específicamente, la colisión del pistón con el cilindro. El controlador de corriente 208 ajusta la corriente máxima a lo largo del ciclo de trabajo aplicada por el circuito conductor 200 al arrollamiento del estator 202.

En la Figura 6 se pueden ver ejemplos de las formas de onda en un motor lineal que emplea la invención presente, que muestra formas de onda del voltaje del arrollamiento del motor (la primera parte de la cual se referencia como 400) y de la corriente del motor (la primera parte de la cual se referencia como 402). El voltaje del arrollamiento del estator en 400 es totalmente positivo durante un tiempo t_{on(ex)} durante el comienzo de la carrera de expansión. Con el voltaje retirado la corriente 402 decae (402) hasta cero durante un tiempo t_{off(ex)}, con el voltaje del arrollamiento del estator forzado a totalmente negativo (403) por el flujo de corriente en los arrollamientos. Durante el resto de la carrera de expansión, el tiempo t_{off(ex)} el voltaje del arrollamiento representa la fuerza contraelectromotriz inducida en el inducido 404, y el paso por cero del mismo representa la velocidad cero del pistón al final de la carrera de expansión. Un comportamiento similar ocurre durante la carrera de compresión, que proporciona un tiempo t_{off(comp)} en relación con el paso por cero de la fuerza contraelectromotriz 406 durante la compresión, del que se puede calcular el periodo de alternancia.

El proceso que usa el detector de colisión 206 en la realización preferida para detectar una colisión se muestra en la Figura 5. Usando los datos del paso por cero de la fuerza contraelectromotriz se almacenan las duraciones de medio período sucesivas 504 y se calcula un valor filtrado de cada uno de los primeros y segundos medios períodos, 502. Estos valores filtrados, que proporcionan una media, se suman 506 y la suma se monitoriza para buscar una reducción abrupta. Esto se realiza comparando la suma con la suma de los dos medios períodos medidos más recientes. Si la diferencia excede una cantidad A (506), se deduce que puede haber una colisión. Debido al ruido en la señal causado por varias razones, no es seguro considerar una reducción transitoria que excede el valor A, como indicativa de una colisión del pistón. Se requiere un número, B, de reducciones sucesivas mayores que A. La variable B (508) se fija preferiblemente en cinco ciclos sucesivos. El valor de diferencia umbral A se fija preferiblemente en 30 microsegundos.

Cuando se detecta una colisión (510, en la Figura 5), el controlador de corriente (208, en la Figura 4) reduce la magnitud de la corriente. Las reducciones de la corriente, y con ello de la potencia de entrada al motor, se realizan progresivamente. Una vez que se detienen las colisiones, se permite que el valor de la corriente aumente lentamente durante un período de tiempo hasta alcanzar su valor previo. Preferiblemente, el período de tiempo es aproximadamente 1 hora. Alternativamente, la corriente permanecerá reducida hasta que las variables del sistema cambien significativamente. En una realización en la que se utiliza el sistema descrito en WO01/79671 como algoritmo de control de la corriente principal, tal cambio en el sistema puede ser detectado por un cambio en la corriente máxima ordenada. En ese caso será en respuesta a un cambio en la frecuencia o la temperatura del evaporador. En la realización preferida la combinación de ese algoritmo con la invención presente asumiendo un rol de supervisión, provee una eficiencia volumétrica mejorada con respecto a la técnica anterior.

Claims

1. Un compresor de gas de pistón libre que comprende:

: un cilindro (9),

: un pistón (11),

: siendo dicho pistón (9) móvil de manera alternativa dentro de dicho cilindro (11),

: un motor eléctrico lineal alternativo acoplado con accionamiento a dicho pistón (11), que tiene al menos un arrollamiento de excitación (202),

caracterizado por

: medios (204) para obtener una medida indicativa del período de alternancia de dicho pistón,

: medios (206) para detectar cualquier cambio súbito en dicho período de alternancia, siendo dicha reducción indicativa de una colisión del pistón con la culata del cilindro, y

: medios (208) para reducir la potencia de entrada a dicho arrollamiento de excitación en respuesta a cualquier cambio súbito en el período de alternancia que sea detectado.

2. Un compresor de gas de pistón libre como el reivindicado en la reivindicación 1, en el que dicho motor es un motor de corriente continua de imán permanente conmutado electrónicamente.

3. Un compresor de gas de pistón libre como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que dichos medios para obtener una medida del período de alternancia de dicho pistón comprenden:

: medios de detección de la fuerza contraelectromotriz (204) para medir la fuerza contraelectromotriz inducida en dicho al menos un arrollamiento de excitación cuando la corriente de excitación no está fluyendo,

: medios de detección del paso por cero conectados a la salida de dichos medios de detección de dicha fuerza contraelectromotriz,

: medios de medida del tiempo que determinan el intervalo de tiempo entre pasos por cero para determinar de esta manera la duración de cada medio ciclo de la alternancia de dicho pistón, y medios para sumar las duraciones de medios ciclos sucesivos para proporcionar dicho período de alternancia.

4. Un compresor de gas de pistón libre como el reivindicado en la reivindicación 3, en el que dichos medios para detectar cualquier cambio súbito en el período de alternancia incluyen medios para producir valores discretos filtrados o nivelados de las duraciones de medios ciclos alternos, medios para sumar los dos valores filtrados de las duraciones de medios ciclos alternos para producir un valor filtrado del período de alternancia, medios para comparar los períodos de alternancia medidos más recientes con dicho valor filtrado del período de alternancia para proporcionar un valor de diferencia, medios para determinar si dicho valor de diferencia está por encima de un umbral predeterminado durante un período predeterminado.

5. Un compresor de gas de pistón libre como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que incluye además medios para incrementar progresivamente la potencia de entrada a dicho motor durante un período de tiempo en respuesta a una reducción de la potencia de entrada.

6. Un método para controlar la desviación de inducido en un motor lineal alternativo caracterizado por los pasos de:

: determinar el período de alternancia de dicho inducido,

: detectar cualquier cambio súbito en dicho período de alternancia, y

: reducir la potencia de entrada a dicho motor lineal en respuesta a cualquier reducción súbita detectada del período de alternancia.

7. Un método como el reivindicado en la reivindicación 6, en el que dicho paso de determinar dicho período de alternancia incluye el paso de detectar los pasos por cero de la fuerza contraelectromotriz en dicho motor lineal, y determinar dicho período de alternancia a partir del intervalo de tiempo entre ellos.

8. Un método como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 6 ó 7, en el que dicho paso de detectar cualquier cambio súbito en dicho tiempo de alternancia incluye el paso de deducir dicho tiempo de alternancia de un valor filtrado o nivelado para proporcionar un valor de diferencia, y si dicho valor de diferencia está por encima de un valor de umbral predeterminado durante un período predeterminado, reducir la potencia de entrada a dicho motor lineal.

9. Un método como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en el que, tras una reducción en la potencia de entrada a dicho motor, la potencia del motor se incrementa durante un período de tiempo gradualmente hasta que se detecte de nuevo un cambio súbito en el periodo de alternancia.