ES2251401T3 - Control de una maquina electrica de reluctancia. - Google Patents
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Abstract
Máquina eléctrica que comprende un rotor (7) sin bobinados, un estator (2) que presenta un arrollamiento del inducido (11) y un bobinado de campo (10) para generar una fuerza magnetomotriz en una dirección que se extiende transversalmente respecto a la fuerza magnetomotriz generada por el arrollamiento del inducido, y un medio de circuito (40) para controlar la corriente en el arrollamiento del inducido (11) de manera que los períodos en los que una fuerza magnetomotriz en una dirección se asocia con un primer impulso de corriente se alternen con períodos en los que una fuerza magnetomotriz en la dirección contraria se asocian con un segundo impulso de corriente, incorporando el medio de circuito (40) terminales principales e incluyendo el medio de capacitancia una primera capacitancia (57) acoplada entre uno de los terminales principales y un punto de circuito (57A) intermedio del bobinado de campo (10) y el arrollamiento del inducido (11), caracterizada porque el medio de capacitancia incluye además una segunda capacitancia (58) a través de los terminales principales, y la primera capacitancia (57) presenta un valor de capacitancia de manera que el voltaje en dicho punto de circuito (57A) pueda elevarse más allá del voltaje en la segunda capacitancia (58) para aumentar el voltaje, con lo que se inicia la corriente de inducido al arrancar cada impulso de corriente.
Description
Control de una máquina eléctrica de
reluctancia.
La presente invención hace referencia a máquinas
eléctricas y se refiere, más en particular pero no exclusivamente,
a motores eléctricos.
También se hace referencia a las solicitudes
pendientes de los presentes solicitantes con números
PCT/GB00/03197, PCT/GB00/03213 y PCT/GB00/
03214, cuyos contenidos se incorporan a esta descripción como referencia.
PCT/GB00/03197, PCT/GB00/03213 y PCT/GB00/
03214, cuyos contenidos se incorporan a esta descripción como referencia.
Las figuras 1a y 1b muestran un motor
convencional de reluctancia variable de dos fases que comprende un
estator (2) con dos pares de polos opuestos (3), (4) que se
proyectan hacia el interior, dotados de dos pares de bobinados de
activación (5), (6) que corresponden a las dos fases, y un rotor
(7) con un único par de polos opuestos (8) que se proyectan hacia
el exterior sin bobinados. Cada uno de los cuatro bobinados de
activación se enrolla alrededor de su polo correspondiente, tal como
se indica mediante los símbolos (Y-Y) que indican
dos partes opuestas diametralmente de cada bobinado del par de
bobinas (6) y los símbolos (X-X) que indican dos
partes opuestas diametralmente de cada bobinado del par de bobinas
(5). Se incluye un circuito de activación (que no se muestra) para
hacer girar el rotor (7) dentro del estator (2) activando
alternativamente los bobinados del estator sincronizados con la
rotación del rotor, de manera que se desarrolla un par por la
tendencia del rotor (7) para disponerse en una posición de
reluctancia mínima dentro del campo magnético generado por los
bobinados, tal como se describirá a continuación con mayor detalle.
Dicho motor de reluctancia variable ofrece la ventaja respecto a un
motor convencional con rotor de bobinado de no necesitar un
conmutador y escobillas, componentes que se desgastan, para
proporcionar corriente al rotor. Además, se consiguen otras
ventajas porque no hay conductores en el rotor y no son necesarios
costosos imanes permanentes.
Los símbolos + y - en las figuras 1a y 1b
muestran las direcciones del flujo de corriente en los bobinados
en las dos modalidades alternas de activación en la que el rotor (7)
es atraído hacia la posición horizontal o hacia la posición
vertical, tal como puede verse en las figuras. Se apreciará que la
rotación del rotor (7) requiere la activación alterna de los pares
de bobinados (5) y (6), preferentemente con sólo un par de
bobinado (5) ó (6) activado cada vez, y con la corriente normalmente
proporcionada a cada par de bobinado (5) ó (6) en sólo una
dirección durante dicha activación. Sin embargo, los bobinados sólo
pueden activarse, como máximo, durante la mitad del tiempo por
revolución si quiere producirse un par útil, de manera que la
utilización más eficaz del circuito eléctrico no resulta posible con
dicho motor.
Por contraste, un motor de reluctancia variable,
de conmutación de flujo, de paso completo, tal como describen J.D.
Wale y C. Pollock en "Novel Converter Topologies for a
Two-Phase Switched Reluctance Motor with Fully
Pitched Windings" ("Nuevas tipologías de conversor para un
motor de reluctancia conmutado de dos fases con bobinados de paso
completo"), IEEE Power Electronics Specialists Conference,
Braveno, Junio 1996, páginas 1798-1803 y tal como
se muestra en las figuras 2a y 2b (en las que se utilizan los
mismos numerales de referencia para designar componentes similares,
tal como en las figu-
ras 1a y 1b) comprende dos bobinados (10) y (11) con un paso que es dos veces el paso de los polos del motor, es decir, 180º en el ejemplo que se muestra y dispuestos a 90º uno del otro. El bobinado (11) puede bobinarse de manera que sólo una parte del bobinado en un lado del rotor (7) ocupe una ranura (12) del estator que se define entre los polos adyacentes de los pares de polos (3) y (4), y otra parte del bobinado (11) en el lado diametralmente opuesto del rotor (7) ocupa una ranura (13) del estator que se define entre otros dos polos adyacentes del par de polos (3), (4). El bobinado (10) dispone de partes correspondiente que ocupan las ranuras opuestas diametralmente del estator (14) y (15). De este modo, los dos bobinados (10) y (11) cubren el ancho del motor con los ejes de los bobinados (10), (11) en los ángulos adecuados uno respecto
al otro.
ras 1a y 1b) comprende dos bobinados (10) y (11) con un paso que es dos veces el paso de los polos del motor, es decir, 180º en el ejemplo que se muestra y dispuestos a 90º uno del otro. El bobinado (11) puede bobinarse de manera que sólo una parte del bobinado en un lado del rotor (7) ocupe una ranura (12) del estator que se define entre los polos adyacentes de los pares de polos (3) y (4), y otra parte del bobinado (11) en el lado diametralmente opuesto del rotor (7) ocupa una ranura (13) del estator que se define entre otros dos polos adyacentes del par de polos (3), (4). El bobinado (10) dispone de partes correspondiente que ocupan las ranuras opuestas diametralmente del estator (14) y (15). De este modo, los dos bobinados (10) y (11) cubren el ancho del motor con los ejes de los bobinados (10), (11) en los ángulos adecuados uno respecto
al otro.
Además, dos modalidades alternas de activación de
dicho motor que corresponden a las posiciones horizontal y
vertical del rotor (7) se muestran en las figuras 2a y 2b, en las
que puede apreciarse que ambos bobinados (10), (11) se activan en
ambas modalidades de activación, pero que mientras la dirección del
flujo de corriente en el bobinado (10) es la misma en ambas
modalidades, la dirección de la corriente en el bobinado (11)
cambia entre las dos modalidades. Dado que se proporciona corriente
a ambos bobinados de fase (10), (11) en ambas modalidades y dado
que cada bobinado (10) ó (11) ocupa la mitad de la zona de la
ranura del estator, dicho sistema puede conseguir una utilización
del 100% de su zona de ranuras. Esto contrasta con la utilización
del 50% que se conseguía con el motor convencional de reluctancia
variable de bobinado descrito anteriormente en el que sólo una
fase de bobinado se activa cada vez. Asimismo, dado que no es
necesario cambiar la dirección de la corriente en el bobinado (10),
dicho bobinado (10), que puede denominarse bobinado de campo, puede
alimentarse con corriente directa sin conmutadores, lo que lleva a
una simplificación del circuito de activación utilizado. No
obstante, el bobinado (11), que puede denominarse arrollamiento del
inducido, debe activarse con corriente que se alterne en
sincronismo con la posición del rotor para determinar el cambio de
orientación del flujo del estator necesario para atraer el rotor
alternadamente a las posiciones horizontal y vertical. La necesidad
de alimentar el arrollamiento del inducido con corriente alternada
en dicho motor puede tener como resultado un circuito de
activación de complejidad y coste elevados.
En el documento de J.R. Surano y
C-M. Ong, "Variable Reluctance Motor Structures
for Low-Speed Operation" ("Estructuras de
motores de reluctancia variables para funcionamiento a baja
velocidad"), IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 32,
No 2, Marzo-Abril 1996, páginas
808-815, y en la patente del Reino Unido 2262843
también se dan a conocer motores de reluctancia variable de paso
completo. El motor que se da a conocer en la patente UK 2262843 es
un motor de reluctancia variable de tres fases que posee tres
bobinados que deben activarse con corriente sincronizadamente con
la rotación del rotor, de manera que dicho motor necesita un
circuito de activación de gran complejidad.
La patente WO 98/05112 da a conocer un motor con
conmutación de flujo de paso completo que posee un estator de
cuatro polos (2) que, tal como se muestra en el diagrama de la
figura 3a, está dotado de un bobinado de campo (10) y un
arrollamiento del inducido (11) cada uno de los cuales se divide en
dos bobinas (22) y (23) ó (24) y (25) acopladas estrechamente (con
un acoplamiento sustancialmente independiente de la posición del
rotor) y se bobinan de manera que partes diametralmente opuestas de
ambas bobinas se disponen dentro de ranuras del estator
diametralmente opuestas. La figura 3b muestra un diagrama de un
circuito generalizado para activar las bobinas de inducido (24) y
(25). Las bobinas (24) y (25) se conectan dentro del circuito de
manera que la corriente directa suministrada a los terminales (26)
y (27) fluye a través de ambas bobinas (24) y (25) en la misma
dirección para generar fuerzas magnetomotrices en direcciones
opuestas como resultado del bobinado opuesto de las bobinas. Los
conmutadores (28) y (29), que pueden comprender transistores de
efecto de campo o tiristores por ejemplo, se conectan en serie con
las bobinas (24) y (25) y se conmutan alternadamente para generar
la activación alterna de las bobinas (24) y (25) para proporcionar
las fuerzas magnetomotrices requeridas que actúan en direcciones
opuestas. Una ventaja de dicha disposición es que el arrollamiento
del inducido está formado por dos bobinas acopladas estrechamente
que permiten que cada bobina se active con corriente en una sola
dirección de manera que puede usarse un conjunto de circuitos de
activación relativamente simple. Una disposición similar puede
obtenerse con un alternador eléctrico.
En el documento "Selecting Power Electronic
Converters for Single Phase Switched Reluctance Motors"
("Selección de convertidores electrónicos de energía para motores
de reluctancia conmutados de una sola fase"), 7th International
Conference on Power Electronics and Variable Speed Drives ("7ª
conferencia internacional de electrónica de energía y unidades de
velocidad variable"), 21-23 Septiembre 1998, Nº
456, páginas 527-531, se dan a conocer varias
disposiciones del convertidor basadas en máquinas de reluctancia de
conmutador y que incorporan condensadores de recuperación de
energía para recuperar la energía almacenada en las bobinas de
inducido al final de cada operación de conmutación.
La patente GB 215672A da a conocer una máquina de
reluctancia variable que incorpora una disposición de recuperación
de energía magnética residual. Esta disposición incorpora un
condensador de descarga que se carga con la corriente libre de cada
fase y del cual la energía sobrante se transfiere a una fuente de
corriente continua mediante un condensador de enlace de corriente
continua.
Las simplificaciones en el circuito que introduce
el documento WO 98/05112 permiten un control de máquina
electrónica simple y de bajo coste, pero reducen la flexibilidad de
la máquina que debe controlarse en caso de una rápida aceleración
o desaceleración, además de reducir el control de la velocidad en
carga. Es un objetivo de la presente invención dar a conocer una
máquina eléctrica que dispone de un circuito de control simple
pero que también puede alcanzar un elevado rendimiento.
Según la presente invención, se proporciona una
máquina eléctrica según la reivindicación 1.
Esto ofrece un efecto de potenciación del voltaje
especialmente ventajoso que permite que pueda aplicarse un voltaje
para aumentar la corriente de inducido que sobra en el voltaje de
alimentación disponible. De esta manera, la corriente de inducido
puede establecerse más rápidamente, y esto puede resultar
particularmente beneficioso al aumentar la eficiencia a altas
velocidades ya que permite reducir el grado de avance de cualquier
sensor de posición.
Mientras que dicha disposición resulta
particularmente efectiva en una máquina en la que los bobinados de
campo e inducido están conectados en serie, dicha disposición puede
utilizarse también en una máquina en la que los arrollamientos del
inducido y de campo están conectados en paralelo o incluso en una
en que se coloca un imán permanente en lugar del bobinado de
campo.
Las realizaciones preferentes de la presente
invención permiten conseguir el control de la aceleración,
velocidad sin carga, características de
velocidad-par de carga y freno de la máquina con un
simple control encendido/apagado de los dispositivos de conmutación
de inducido y campo, de manera que el circuito de control adecuado
puede fabricarse a un coste relativamente bajo. La simplificación
del circuito de control puede asegurarse además efectuando dicho
control sin un detector de corriente.
Para una mayor comprensión de la presente
invención, se hace referencia, a modo de ejemplo, a los dibujos
adjuntos en los que:
Las figuras 1a y 1b son diagramas explicativos
que muestran un motor convencional de reluctancia variable de dos
fases, con las modalidades de activación que se muestran en las
figuras 1a y 1b;
Las figuras 2a y 2b son diagramas explicativos
que muestran un motor de conmutación de flujo, con dos modalidades
de activación que se muestran en las figuras 2a y 2b;
Las figuras 3a y 3b son diagramas explicativos
que muestran bobinados de estator para un motor de conmutación de
flujo tal como se da a conocer en la patente WO 98/05112;
La figura 4 es un diagrama de un motor de
conmutación de flujo con un estator de 8 polos y un rotor de 4
polos;
Las figuras 5, 6 y 7 son diagramas de circuito
que muestran distintas disposiciones de circuito para activar el
bobinado de campo y el de inducido de dicho motor;
La figura 8 es un gráfico que muestra diferentes
curvas de par-velocidad que se obtienen con dicho
motor, dependiendo de los valores de las capacidades utilizadas y
del grado de avance del sensor de posición del rotor;
La figura 9 es un diagrama de tiempo que muestra
las formas de onda de la corriente en el funcionamiento de dicho
motor;
Las figuras 10, 11, 12 y 13 son diagramas de
circuito que muestran otras disposiciones de circuito para activar
el bobinado de campo y el de inducido de dicho motor;
Las figuras 14, 15 y 16 son diagramas de circuito
que muestran otras disposiciones de circuito;
La figura 17 es un gráfico de la frecuencia del
sensor respecto al tiempo durante el frenado del motor, que
muestra dos operaciones de frenado distintas; y
La figura 18 es un diagrama de tiempo que muestra
las señales de control de conmutador que se aplican durante la
operación de frenado.
La siguiente descripción de una realización de la
presente invención se da como referencia a un motor de serie de
reluctancia variable de conmutación de flujo con un estator (2)
dotado de ocho polos que se proyectan hacia el interior (30) y un
rotor (7) con cuatro polos que se proyectan hacia el exterior (31)
sin bobinados, tal como se muestra en la figura 4. El estator (2)
está dotado de un bobinado de campo (10) y un arrollamiento del
inducido (11) conectados en una configuración de serie. El
arrollamiento del inducido (11) y el bobinado de campo (10)
comprenden cuatro partes de arrollamiento del inducido (A1), (A2),
(A3) y (A4) y cuatro partes de bobinado de campo (F1), (F2), (F3) y
(F4) conectadas en serie o en paralelo (o cualquier combinación de
serie y paralelo), estando cada parte de arrollamiento del inducido
dividida en dos bobinas acopladas magnéticamente y bobinadas de
manera que partes diametralmente opuestas de las bobinas se
disponen dentro de dos ranuras del estator que están separadas por
una ranura de bobinado de campo. Las bobinas de inducido se bobinan
en direcciones opuestas y pueden presentar un bobinado bifilar
donde resulte adecuado. En la figura 4, los símbolos + y -
muestran las direcciones del flujo de corriente en los bobinados en
una modalidad de activación y se entiende que, en la modalidad
alternativa de activación, la dirección del flujo de corriente en
los arrollamientos del inducido se invierte mientras que la
dirección del flujo de corriente en el bobinado de campo permanece
sin cambios.
La figura 5 muestra un circuito de activación
(40) para suministrar corriente al bobinado de campo (10) y las
bobinas de inducido acopladas estrechamente (24) y (25) (cada una
considerada como la combinación de las bobinas de las cuatro partes
de arrollamiento del inducido (A1), (A2), (A3) y (A4) de la figura
4), donde el bobinado de campo (10) se conecta en serie con la
alimentación eléctrica al circuito. El circuito (40) se alimenta
de una fuente de corriente alterna mediante un puente rectificador
(59). Un circuito de control de conmutación que comprende dos IGBT
(50) y (51) (o MOSFET) está dispuesto para proporcionar corriente
alternativamente a las bobinas de inducido (24) y (25) para
alcanzar las fuerzas magnetomotrices que actúan en direcciones
opuestas para hacer girar el rotor. Cada IGBT (50) ó (51) incluye un
diodo libre integral (52) ó (53) de manera que, a medida que cada
IGBT se apaga, la energía magnética almacenada en la bobina
correspondiente se acopla a la otra bobina y fluye de nuevo a
través del diodo libre hacia el otro IGBT. Además, los extremos de
las bobinas de inducido (24) y (25) se conectan mediante diodos
(63) y (64) a un condensador amortiguador (65) que carga a un
voltaje superior al voltaje de alimentación. El condensador
amortiguador (65) se descarga mediante la resistencia paralela (66)
para descargar la energía almacenada en el condensador amortiguador
(65) desde el proceso de conmutación imperfecto. El condensador
amortiguador (65) sirve para capturar la energía no transferida a
la otra bobina de inducido cuando una de las bobinas de inducido se
desconecta mediante su respectivo dispositivo de conmutación.
El circuito amortiguador adicional formado por
los componentes (63), (64), (65) y (66) es particularmente
importante cuando se utilizan transistores bipolares de puerta
aislada (IGBT) como dispositivos de conmutación. Los IGBT se dañan
fácilmente por la sobretensión del dispositivo, y se utiliza el
circuito amortiguador para contener los voltajes que se producen en
el circuito a un nivel inferior al índice del voltaje de los IGBT.
Cuando se utilizan MOSFET como en la figura 5, el circuito
amortiguador puede eliminarse si se eligen MOSFET para
proporcionar una pinza de voltaje inherente a medida que entran en
modalidad de fallo (avalancha) por encima de su voltaje indicado.
Esta modalidad de fallo absorbe la energía magnética no acoplada
asociada con el acoplamiento imperfecto de los arrollamientos del
inducido entre si. Dado que la disipación de calor adecuada está
disponible, los MOSFET no sufrirán ningún daño con este proceso, y
la complejidad y el coste del circuito amortiguador no son, por
tanto, necesarios.
Se conecta un condensador (57) al punto de
interconexión entre el bobinado de campo (10) y las bobinas de
inducido (24), (25) para permitir que la corriente de campo continúe
fluyendo a medida que la energía del arrollamiento del inducido
regresa al condensador (57) a través de uno de los diodos (52) ó
(53). Otro condensador (58) se conecta a través de la salida del
puente rectificador (59), y un inductor opcional (60) se conecta
en serie con la salida del puente rectificador (59), para filtrar la
alimentación al circuito. Tal como se muestra mediante las líneas
discontinuas, también se puede instalar un diodo (61) en serie con
el bobinado de campo (10) para evitar que la corriente en el
bobinado de campo (10) vuelva cuando el condensador (57) se carga
a un voltaje superior al voltaje de alimentación del condensador
(58). Sin embargo, puede omitirse el diodo (61) si es necesario.
El puente rectificador (59) (y opcionalmente el condensador -58- y
el inductor -60-) pueden sustituirse por una batería u otra forma
de alimentación de corriente continua sin apartarse del objetivo
de la presente invención.
En la figura 6 se muestra una modificación de
dicho circuito según la presente invención, en la que un segundo
bobinado de campo (70) se acopla estrechamente al principal bobinado
de campo (10), y un diodo (71) se conecta para cortar
efectivamente el circuito en el bobinado de campo secundario (70).
Se hacen fluir las corrientes inducidas en el bobinado de campo
secundario (70) de manera que se limita la variación en el flujo
de campo debido a los cambios en la reluctancia y la activación del
inducido. Esta disposición ofrece además cierta reducción del
nivel de corriente fluctuante en el bobinado de campo principal
(10). El diodo (71) en serie con el bobinado de campo secundario
(70) limita el flujo de corriente en el bobinado (70) a la
dirección que apoya al bobinado de campo principal (10) al tiempo
que continúa ofreciendo cierta reducción de la corriente
fluctuante. Se ha demostrado experimentalmente que dicha disposición
puede reducir la entrada de la onda de corriente y aumentar al
mismo tiempo la energía que libera el motor a una determinada
corriente de inducido. Una vez más, opcionalmente puede disponerse
un diodo (61) en serie con el bobinado de campo principal (10).
En la figura 7 se muestra otra modificación del
circuito de activación en la que el condensador (57) está
conectado en paralelo con el bobinado de campo (10). Esto influye
poco en el rendimiento eléctrico del motor, pero permite que el
índice de voltaje del condensador (57) se reduzca según el valor
del voltaje de alimentación, con lo que se reducen costes.
Resulta ventajoso elegir los valores de los
condensadores (57) y (58) de modo que se pueda optimizar la
eficacia del motor. El valor del condensador (58) debe elegirse para
cumplir los requisitos de filtrado de alimentación. En algunas
aplicaciones del motor, tal como motores alimentados por baterías,
puede que no sea necesario incluir dicho condensador, pero suele
proporcionarse una capacitancia de varios centenares de
microfaradios en esta parte del circuito en motores con
alimentación de corriente alterna.
Según la presente invención, la capacitancia del
condensador (57) es considerablemente inferior a la capacitancia
del condensador (58) de manera que el voltaje que atraviesa el
condensador (57) pueda variar dentro de cada paso de
funcionamiento del motor. Cuando se activa uno de los conmutadores
de inducido, la corriente que transporta el arrollamiento del
inducido hará que el condensador (57) descargue a un voltaje
inferior al voltaje del condensador (58). Esto permite que la
corriente de campo aumente del modo necesario para que el motor
reciba el nivel apropiado de corriente de campo y de corriente de
inducido. Cuando el conmutador de inducido se desactiva, la
corriente se transfiere a la otra bobina (24) ó (25) y pasa a través
del diodo (52) ó (53) de nuevo al condensador (57). En los
circuitos de las figuras 5, 6 y 7, esto provoca que el voltaje en
el nodo (57A) se eleve más allá del nivel del voltaje de
alimentación en el condensador (58). Mientras, la corriente que
fluye en el bobinado de campo (10) continúa fluyendo, con lo que
aumenta más el voltaje en el nodo (57A). Cuando llega el momento
de activar el segundo conmutador de inducido, el voltaje disponible
para aumentar la corriente de inducido superará el voltaje de
alimentación disponible, de manera que la corriente en el
arrollamiento del inducido puede establecerse más rápidamente. Esto
resulta especialmente beneficioso a elevadas velocidades y permite
reducir el grado de avance del sensor de posición. Así se mejora la
eficiencia del motor.
En tests prácticos, se utilizó un valor de 470
\muF para el condensador (58) y un valor entre 5 y 10
\muF
se utilizó para el condensador (57) en un motor de
3 kW que funcionaba en una toma de 240 V corriente alterna. Con la carga completa y a una velocidad de 15.000 rpm, el voltaje en el extremo positivo del arrollamiento del inducido cayó a 100 V y aumentó 450 V en relación con un voltaje de alimentación en corriente continua medio de 250 V en el condensador (58). Un motor menor con menos corriente de inducido utilizaría un condensador menor para conseguir el mismo grado de potenciación de voltaje. A la inversa, un motor de velocidad inferior necesitaría un condensador mayor. En general, se considera que se conseguirá un efecto ventajoso si los valores del condensador se eligen de manera que el nivel de voltaje se hace aumentar o descender en un porcentaje que vaya del 10 al 90% de su valor medio, preferentemente del 30% al 80% de su valor medio.
se utilizó para el condensador (57) en un motor de
3 kW que funcionaba en una toma de 240 V corriente alterna. Con la carga completa y a una velocidad de 15.000 rpm, el voltaje en el extremo positivo del arrollamiento del inducido cayó a 100 V y aumentó 450 V en relación con un voltaje de alimentación en corriente continua medio de 250 V en el condensador (58). Un motor menor con menos corriente de inducido utilizaría un condensador menor para conseguir el mismo grado de potenciación de voltaje. A la inversa, un motor de velocidad inferior necesitaría un condensador mayor. En general, se considera que se conseguirá un efecto ventajoso si los valores del condensador se eligen de manera que el nivel de voltaje se hace aumentar o descender en un porcentaje que vaya del 10 al 90% de su valor medio, preferentemente del 30% al 80% de su valor medio.
La figura 8 es un gráfico del par respecto a la
velocidad para un motor que muestra curvas de par(velocidad
para tres disposiciones de motor en las que el bobinado de campo
posee 128 espirales y el arrollamiento del inducido posee 68
giros, y las líneas discontinuas indican la salida de energía. En
el primer caso (que corresponde a la curva sólida indicada mediante
círculos), el grado de avance del sensor de posición es de 11º y se
utilizan un condensador (58) de valor elevado con una capacitancia
de 3.300 \muF y un condensador (57) de valor elevado con una
capacitancia de 3.000 \muF; mientras que en los otros dos casos
(que corresponden a las dos curvas sólidas indicadas mediante
cuadrados negros y blancos respectivamente), el condensador (58)
presenta un valor de 470 \muF y el condensador (57) presenta un
valor relativamente bajo de capacitancia de 7,5 \muF, siendo el
grado de avance del sensor de posición 7º y 5º, respectivamente, en
los dos casos. Se observará que, en los tres casos, el rendimiento
es similar, y esto demuestra que se puede proporcionar un
rendimiento eléctrico similar utilizando un grado inferior de
avance del sensor de posición si se eligen valores óptimos para los
condensadores (57) y (58). Esto permite que la eficacia del motor
aumente ya que el motor puede funcionar adecuadamente con un grado
menor de avance del sensor de posición.
La figura 9 es un diagrama de tiempo que muestra
las formas de onda de corriente y voltaje, donde el numeral de
referencia (72) indica la salida del sensor de posición, (73) indica
la corriente de inducido, (74) indica el voltaje en el nodo (57A)
respecto a tierra y (75) indica la corriente de campo. Se apreciará
a partir de este diagrama de tiempo que la corriente de inducido
(73) alterna entre valores positivos y negativos dependiendo de
qué conmutador de inducido se active, con breves períodos
intermedios de corriente cero cuando no se activa ningún
conmutador. Además, el voltaje en el nodo (57A) alcanza el máximo
poco después de activar cada conmutador de inducido, y alcanza el
mínimo al apagar el conmutador de inducido a tiempo para cargar el
condensador (57) mediante la caída de la corriente de inducido.
Estas formas de onda se midieron con un motor con un avance de
sensor de posición de 7º y un condensador (57) con un valor de 7,5
\muF a un par de 1,4 Nm y una velocidad de rotor de unas 14.000
rpm. El voltaje en el condensador (57) presenta un máximo de
aproximadamente 450 V y un mínimo de aproximadamente 100 V.
En el arranque inicial de dicho motor, deben
tomarse medidas especiales para garantizar su arranque correcto.
La solicitud de patente pendiente de la actual número PCT/GB00/03197
da a conocer un procedimiento de arranque especial que utiliza la
modulación de anchura de impulso para un motor que presenta un
bobinado de campo conectado en configuración en derivación o
paralela, incluyendo este procedimiento un retraso de tiempo en la
producción de cada señal de control en un período de arranque
inicial comparado con la producción de señales de control a lo
largo de subsiguientes pasos de rotación durante la aceleración del
rotor. Sin embargo, se ha demostrado que dicho método de
modulación de amplitud de impulso resulta ineficaz para arrancar un
motor del tipo que presenta un bobinado de campo en una
configuración de serie. Esto se debe a que el voltaje del
condensador (57) aumenta durante el corte en dicho método de
modulación de amplitud de impulso y no se extrae ninguna corriente
significativa a través del bobinado de campo en serie. En este caso,
la activación de inducido por sí sola no basta para arrancar el
motor.
Se han evaluado varios métodos distintos para
arrancar dicho motor, incluyendo métodos de modulación de anchura
de impulso y de impulso único (cambiando las frecuencias y los pasos
de servicio). No obstante, se ha concluido que los métodos de
impulso único provocan corrientes excesivamente elevadas a baja
velocidad, lo que provoca que los impulsos sean demasiado cortos
para ser efectivos. Además, los métodos de modulación de anchura
de impulso, aunque se consideraban inicialmente más prometedores,
rápidamente provocan la generación de voltajes amortiguadores
excesivos. Dichos voltajes amortiguadores excesivos se generan por
acumulación de energía en el condensador (57) que, a su vez, eleva
el voltaje de alimentación del inducido en el que se superpone el
voltaje amortiguador. Además, esta acumulación del voltaje de
inducido durante la modulación de la anchura de impulso reduce la
corriente de campo que fluye y, de este modo, disminuye el par
inicial.
En consecuencia, se propone una nueva
modificación del circuito en la que se requieren elevados índices
de aceleración en la que un diodo (76) se conecta en paralelo con el
bobinado de campo (10), tal como se muestra en la figura 10, de
manera que se garantiza que el voltaje del condensador (57) no
pueda superar el voltaje del condensador (58) durante el proceso de
arranque. Se ha demostrado que dicha disposición evita la
acumulación de voltaje excesivo en el condensador (57), que podría
dañar los dispositivos de conmutación, a la vez que conserva la
ventaja de que el condensador (57) permite una rápida inicialización
de la corriente de inducido al inicio de cada impulso antes de que
la corriente de campo pueda establecerse por completo. La presencia
del diodo (76) permite utilizar la modulación de anchura de
impulso. Sin embargo, para minimizar el voltaje amortiguador
controlando al mismo tiempo la corriente suficiente para garantizar
el inicio, es necesario que la frecuencia de corte inicial se
reduzca. Se ha descubierto que, incluso cuando la frecuencia de
corte inicial se reduce a 1,7 kHz y con el paso de servicio inicial
establecido en el valor máximo posible para voltajes
amortiguadores aceptables, todavía quedan posiciones del rotor
cercanas a la posición alineada en la que el motor no puede
producir suficiente par para el arranque.
Esto puede resolverse aplicando la técnica de
arranque que se da a conocer en la solicitud pendiente de la
actual nº PCT/GB00/03214.
Como alternativa al circuito de la figura 10, el
condensador (57) puede conectarse en paralelo con el bobinado de
campo (10) (como en la disposición de la figura 7). Puede añadirse
también un diodo (como
el -76- en la figura 10) en esta disposición.
el -76- en la figura 10) en esta disposición.
Mientras que la presencia del diodo (76) en
paralelo con el bobinado de campo (10) en la modificación de la
figura 10 permite arrancar el motor satisfactoriamente, se ha
descubierto que la presencia del diodo (76) elimina la ventaja del
aumento de voltaje del condensador (57) cuando el motor funciona a
gran velocidad, y esto a su vez reduce la salida de energía del
motor a cualquier velocidad concreta (para un diseño de bobinado
particular). Por lo tanto, en algunas aplicaciones, puede resultar
ventajoso conectar un conmutador mecánico (77) en serie con el
diodo (76), tal como se muestra en la figura 11, de manera que el
diodo (76) puede eliminarse del circuito una vez arrancado el
motor. El conmutador (77) se cierra durante el arranque y la
aceleración del motor, pero se abre cuando el motor alcanza la
velocidad de funcionamiento deseada. Cuando debe frenarse el
motor, el conmutador (77) debe estar en la posición abierta y puede
utilizarse un conmutador adicional (78) para conectar el bobinado
de campo (10) al conductor de alimentación negativo para permitir
que el bobinado de campo (10) extraiga corriente del conmutador
(57), tal como se describirá a continuación con mayor detalle.
En lugar de crear un conmutador mecánico en serie
con el diodo (76), dicho diodo (76) puede sustituirse por un
conmutador electrónico, por ejemplo un tiristor (80), tal como se
muestra en la figura 12. El tiristor (80) se activa durante el
arranque y la aceleración del motor, pero se apaga cuando el motor
alcanza la velocidad operativa deseada. En este aspecto, la
conmutación del tiristor (80) tendrá lugar naturalmente cuando el
voltaje en el condensador (57) caiga por debajo del voltaje en el
condensador (58).
Además, la figura 13 muestra una disposición de
circuito alternativa a la de la figura 12 en la que el bobinado de
campo (10) se coloca en el brazo de retorno del circuito, y el
tiristor (80) se refiere al potencial de tierra haciendo que el
control del tiristor (80) sea mucho más simple ya que se refiere al
mismo voltaje de alimentación que los conmutadores de inducido. Al
igual que antes, el tiristor (80) necesita ser conductor durante
el arranque y la aceleración del motor, pero se desconecta cuando el
motor no alcanza la velocidad de carga y permanecerá apagado
durante la subsiguiente carga. Tanto en las disposiciones de la
figura 12 como de la figura 13, tiene que prestarse atención para
asegurarse que el tiristor (80) conmute satisfactoriamente a la
velocidad requerida, y para garantizar que el tiristor (80) no se
active debido a rápidas oscilaciones de voltaje. Como alternativa,
puede sustituirse el tiristor (80) por un IGBT o un MOSFET
conectado en serie con un diodo para bloquear la conducción
inversa.
La figura 14 muestra otra disposición de circuito
posible en la que un dispositivo de supresión de voltaje (81) en
serie con el diodo (76) se conecta en paralelo con el bobinado de
campo (10) para limitar la acumulación de voltaje en el
condensador (57) durante el arranque del motor. El dispositivo de
supresión de voltaje (81) conducirá sólo si el voltaje en el
condensador (57) supera el voltaje del condensador (58) en un grado
predeterminado y evitará que el voltaje supere esa cantidad. La
ventaja de dicha disposición de circuito es que el nivel de
aumento del voltaje durante el arranque y el funcionamiento puede
controlarse con precisión sin necesidad de un conmutador
controlado adicional. Esto tiene como efecto delimitar el voltaje
una vez que ha aumentado hasta el valor necesario, a la vez que
permite que el condensador (57) proporcione el aumento de voltaje
durante el funcionamiento.
En algunas aplicaciones puede ser conveniente
dividir el bobinado de campo entre los conductores de alimentación
positiva y negativa para mejorar el filtrado inherente que
proporciona el filtrado de campo. En la figura 15 se muestra una
disposición en la que los bobinados de campo (10) y (10') se
encuentran en los conductores de alimentación positivo y negativo.
Además, se conecta un tiristor (82) en paralelo con el bobinado
(10). En este caso, sólo uno de los bobinados (10), (10') tiene que
conmutarse, ya que, una vez que se activa el tiristor (82), el
voltaje del bobinado (10') queda controlado y, en virtud del
acoplamiento magnético estrecho de los dos bobinados de campo, esto
controlará también el voltaje del bobinado (10), con lo que se
garantiza que el voltaje en el condensador (57) no supere el
voltaje en el condensador (58).
Se han desarrollado dos métodos para detener
rápidamente un motor de conmutación de flujo con un bobinado de
campo conectado en serie. El primer método está previsto para ser
utilizado en caso de que la energía siga disponible durante la
desaceleración del motor. En este caso, se inicia la desaceleración
haciendo girar simultáneamente ambos conmutadores de inducido, con
lo que se extrae una gran cantidad de corriente a través del
bobinado de campo y se permite que la corriente de inducido circule
en un circuito corto a través de los conmutadores de inducido. La
magnitud de la corriente extraída de la alimentación puede ser alta
en tal caso, y una resistencia conectada en serie con la
alimentación puede utilizarse para limitar el valor de la corriente
de frenado extraída durante la desaceleración. El suministro
simultáneo de corriente a ambas bobinas de inducido (24) y (25) y
al bobinado de campo (10) produce una rápida desaceleración del
rotor.
El segundo método puede aplicarse en caso de que
no haya energía disponible durante la desaceleración, es decir,
cuando la alimentación de energía al equipo haya sido desconectada,
por ejemplo, al desenganchar accidentalmente el cable de
alimentación. En este caso, un conmutador adicional, tal como el
conmutador (78) de la figura 11, es necesario para volver a
conectar el bobinado de campo (10) de manera que pueda extraer
corriente del condensador (57). En la figura 16 se muestra una
disposición de circuito adecuada en la que el conmutador adicional
es un IGBT (83) (o MOSFET) conectado entre el extremo del bobinado
de campo (10) y el conductor de alimentación negativa. Si este IGBT
(83) se activa y se activa además el tiristor (80), entonces la
corriente puede fluir del condensador (57) (y también del
condensador -58- mientras esté cargado) a través del bobinado de
campo (10). Esto establece una fuerza electromotriz de retroceso en
los bobinados del motor que fuerza la corriente a salir de las
bobinas de inducido (24), (25) para cargar el condensador (57). La
energía recuperada que se proporciona de esta manera al condensador
(57) mantiene la corriente de campo durante dicho frenado de
regeneración incluso si la alimentación de energía se ha
desconectado. Es necesario un diodo (84) para evitar que la
corriente fluya directamente desde el condensador (57) al IGBT
(83).
El conmutador adicional, formado por el IGBT (83)
en la figura 16, puede utilizarse en otras ocasiones como elemento
de control adicional y, en particular, puede utilizarse para
modular el nivel de la corriente de campo que fluye en el bobinado
de campo para que sea superior a la que sería si la extrajera
naturalmente el circuito de inducido. Esta corriente de campo
adicional es beneficiosa al aumentar el par al inicio y en
condiciones de carga baja cuando la energía extraída por el circuito
de inducido es baja. Si el dispositivo en paralelo con el bobinado
de campo es un diodo, el voltaje en el condensador (57) nunca
superará el voltaje del condensador (58). Por otra parte, si el
dispositivo en paralelo con el bobinado de campo es un conmutador,
tal como un tiristor, entonces el efecto de aumento de voltaje puede
restablecerse cuando sea necesario desconectando el conmutador.
Entonces se producirá un efecto adicional de aumento de voltaje
debido al conversor de aumento que se forma en el bobinado de campo
(10), el IGBT (83) y el diodo (84) en combinación. Dicho conversor
de aumento puede utilizarse como circuito de corrección de factor
de alimentación.
En la figura 17 se muestra el ritmo de
desaceleración del motor respecto al tiempo, con la velocidad del
rotor representada mediante la frecuencia de salida del sensor de
posición que depende, por supuesto, del ritmo de rotación del
rotor. Pueden verse dos curvas en la figura 17, es decir, la curva
(85) que representa la desaceleración con potencia aplicada al
circuito y con ambos conmutadores de inducido conduciendo
simultáneamente, y la curva (86) que representa la desaceleración
sin potencia aplicada pero con la energía recuperada suministrada
al bobinado de campo mediante la activación del conmutador adicional
(83). Podrá apreciarse que, en el caso del método de frenado
aplicado donde no se proporciona alimentación, la desaceleración
ocurre muy rápidamente en el primer segundo de frenado y, a
continuación, el motor sigue girando por inercia hasta detenerse.
En cambio, donde se mantiene la alimentación de energía durante el
frenado, se produce una desaceleración sustancialmente lineal del
motor y se requiere energía para todo el proceso de este tipo de
frenado. El coeficiente de desaceleración de la curva (85) estaba
controlado por una resistencia en serie.
El frenado de un motor de derivación de
reluctancia variable de conmutación de flujo (tal como se da a
conocer en la solicitud pendiente de la actual nº PCT/GB00/03197) se
consigue de manera sencilla apagando ambos conmutadores de
inducido y aplicando corriente continuamente al bobinado de campo
mediante el conmutador de campo. Esta secuencia de frenado se
ilustra en el diagrama de tiempo de la figura 18 en el que las
señales de control que se aplican al conmutador de
encendido(apagado se muestran en a), y las señales en las
dos salidas de inducido y la salida de campo de un microcontrolador
se muestran en b), c) y d). El frenado se inicia al desconectarse
los conmutadores de inducido (50) y (51) por la señal de control
que pasa a ser baja como respuesta al funcionamiento del conmutador
de encendido/apagado. Como consecuencia, el motor frena rápidamente
mediante la corriente que se proporciona al bobinado de campo (10),
perdiendo energía el conmutador (54) al final de un período de
frenado de 3 segundos para evitar la disipación continua de calor
mientras el motor se detiene.
Claims (18)
1. Máquina eléctrica que comprende un rotor (7)
sin bobinados, un estator (2) que presenta un arrollamiento del
inducido (11) y un bobinado de campo (10) para generar una fuerza
magnetomotriz en una dirección que se extiende transversalmente
respecto a la fuerza magnetomotriz generada por el arrollamiento
del inducido, y un medio de circuito (40) para controlar la
corriente en el arrollamiento del inducido (11) de manera que los
períodos en los que una fuerza magnetomotriz en una dirección se
asocia con un primer impulso de corriente se alternen con períodos
en los que una fuerza magnetomotriz en la dirección contraria se
asocian con un segundo impulso de corriente, incorporando el medio
de circuito (40) terminales principales e incluyendo el medio de
capacitancia una primera capacitancia (57) acoplada entre uno de los
terminales principales y un punto de circuito (57A) intermedio del
bobinado de campo (10) y el arrollamiento del inducido (11),
caracterizada porque el medio de capacitancia incluye además
una segunda capacitancia (58) a través de los terminales
principales, y la primera capacitancia (57) presenta un valor de
capacitancia de manera que el voltaje en dicho punto de circuito
(57A) pueda elevarse más allá del voltaje en la segunda capacitancia
(58) para aumentar el voltaje, con lo que se inicia la corriente
de inducido al arrancar cada impulso de corriente.
2. Máquina, según la reivindicación 1, en la que
los bobinados de campo y de inducido están conectados en una
configuración en serie.
3. Máquina, según la reivindicación 1, en la que
los bobinados de campo y de inducido están conectados en una
configuración en paralelo.
4. Máquina, según la reivindicación 1, 2 ó 3, en
la que la primera capacitancia (57) está acoplada en paralelo con
el bobinado de campo (10).
5. Máquina, según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en la que la segunda capacitancia
(58) presenta un valor de capacitancia sustancialmente superior al
valor de capacitancia de la primera capacitancia (57).
6. Máquina, según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, que incluye medios rectificadores
(76, 77, 80, 81, 82) para limitar el voltaje que se aplica al
arrollamiento del inducido (11) durante su funcionamiento.
7. Máquina, según la reivindicación 6, en la que
los medios rectificadores (76, 77, 80, 81, 82) se conectan en
paralelo con el bobinado de campo (10) para evitar que el voltaje de
la primera capacitancia (57) supere sustancialmente el voltaje de
los terminales principales, por lo menos durante el arranque de la
máquina.
8. Máquina, según la reivindicación 6 ó 7, en la
que el medio de rectificación incorpora un conmutador mecánico
(77).
9. Máquina, según la reivindicación 6 ó 7, en la
que el medio de rectificación comprende un medio de conmutador
electrónico (80, 81, 82) adaptado para limitar el voltaje en la
primera capacitancia (57) selectivamente durante el arranque.
10. Máquina, según la reivindicación 9, en la que
el medio de conmutación electrónico es un dispositivo de supresión
de voltaje (81) que evita que el voltaje de la primera capacitancia
(57) supere el voltaje en la segunda capacitancia (58) superando
una cierta cantidad predeterminada.
11. Máquina, según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en la que el arrollamiento del
inducido (11) comprende bobinas de inducido (24, 25) conectadas al
medio de circuito (40) de manera que las corrientes de las bobinas
(24, 25) varíen sincronizadas con la rotación del rotor de manera
que períodos en los que una fuerza magnetomotriz en una dirección
se asocia con un flujo de corriente en una de las bobinas (24), se
alternen con períodos en los que una fuerza magnetomotriz en la
dirección contraria se asocia con un flujo de corriente en la otra
bobina (25).
12. Máquina, según la reivindicación 11, en la
que las bobinas (24, 25) están estrechamente acopladas
magnéticamente.
13. Máquina, según la reivindicación 11 ó 12, en
la que el medio de circuito (40) comprende medios de conmutación
respectivos (50, 51) para conducir alternativamente primeros
impulsos de corriente en una de las bobinas de inducido (24) y
segundos impulsos de corriente en la otra bobina de inducido (25)
bajo el control de los medios de control (32).
14. Máquina, según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en la que el medio de circuito (40)
está dispuesto para que se cargue con energía recuperada del
arrollamiento del inducido (11) y para proporcionar la energía
recuperada al bobinado de campo (10) para frenar el rotor cuando sea
necesario detener la máquina en condiciones en las que no se
aplica energía a los medios de circuito (40) desde un origen
externo.
15. Máquina, según la reivindicación 14, en la
que la primera capacitancia (57) está dispuesta para que se cargue
con energía recuperada del arrollamiento del inducido (11) y para
proporcionar la energía recuperada al bobinado de campo (10) para
frenar el motor.
16. Máquina, según la reivindicación 14 ó 15, en
la que los medios de conmutación (78, 83) se utilizan para
conectar el bobinado de campo (10) con la tierra durante dicho
frenado.
17. Máquina, según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en la que el medio de control (32)
proporciona señales de control al medio de circuito (40) para
controlar las corrientes en el arrollamiento del inducido (11) y
el bobinado de campo (10) para efectuar el frenado del motor.
18. Máquina, según la reivindicación 17, en la
que el medio de control (32) se dispone para generar señales de
control, durante el frenado del rotor, para cortar el flujo de
corriente en el arrollamiento del inducido (11) durante una serie
de pasos del rotor manteniendo el flujo de corriente en el bobinado
de campo (10).
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