ES2252043T3 - Control de una maquina electrica de reclutancia. - Google Patents
Control de una maquina electrica de reclutancia.Info
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Abstract
Máquina eléctrica, que comprende un rotor (7) sin arrollamientos, un estator (2) con un arrollamiento de armadura (11) y medios de imanes de campo (10) para generar una fuerza magnetomotriz en una dirección que se extiende transversalmente con respecto a la fuerza magnetomotriz generada por el arrollamiento de armadura, medios de circuito (40) para controlar la corriente en el arrollamiento de armadura (11), de manera que períodos en los que una fuerza magnetomotriz en una dirección es asociada con el primer impulso de corriente alternan con períodos en los que una fuerza magnetomotriz en dirección opuesta es asociada con un segundo impulso de corriente, y medios detectores de posición para controlar la posición de rotación del rotor y para suministrar señales de salida a un ritmo dependiente de la velocidad de rotación del rotor, caracterizada por medios de control para suministrar señales de control a los medios de circuito (40) para controlar la corriente en el arrollamiento (11) de la armadura como respuesta a las señales de salida, estando dispuestos los medios de control a efectos de producir una señal de control de duración prolongada en el inicio de dicho primer impulso de corriente en el arranque del rotor desde reposo, en comparación con la duración de las señales de control producidas durante el resto de dicho primer impulso de corriente.
Description
Control de una máquina eléctrica de
reluctancia.
La presente invención se refiere a máquinas
eléctricas y, más en particular, pero no exclusivamente, a motores
eléctricos.
Se hace referencia a las solicitudes del mismo
solicitante, pendientes con la actual Nº PCT/GB00/03197,
PCT/GB00/03214 y PCT/GB00/03201.
PCT/GB00/03214 y PCT/GB00/03201.
Las figuras 1a y 1b muestran un motor de
reluctancia variable de dos fases, de tipo convencional, que
comprende un estator (2) que tiene dos pares (3, 4) de polos
salientes dirigidos hacia adentro, dotados de dos pares (5, 6) de
arrollamientos de activación correspondientes a las dos fases, y un
rotor (7) que tiene un par único (8) de polos salientes dirigidos
hacia afuera, dispuestos en oposición, sin arrollamientos. Cada uno
de los cuatro arrollamientos de activación está arrollado alrededor
de su polo correspondiente, tal como se ha indicado por los
símbolos Y-Y que indican dos partes diametralmente
opuestas de cada uno de los arrollamientos del par de arrollamientos
(6) y los símbolos (X-X) que indican dos partes
diametralmente opuestas de cada uno de los arrollamientos del par de
arrollamientos (5). Se dispone un circuito de excitación (no
mostrado) para la rotación del rotor (7) dentro del estator (2) al
activar alternativamente los arrollamientos del estator en
sincronismo con la rotación del rotor, de manera que se genera un
par de fuerzas por la tendencia del rotor (7) a disponerse en la
posición de reluctancia mínima dentro del campo magnético producido
por los arrollamientos, tal como se describirá a continuación de
manera más detallada. Este motor de reluctancia variable ofrece la
ventaja, con respecto a un motor de rotor con arrollamiento
convencional, de que no se requieren conmutador ni escobillas, que
son partes de desgaste, para el suministro de corriente al rotor.
Además, se consiguen otras ventajas dado que no hay conductores en
el rotor y se evitan los imanes permanentes, que tienen un coste
elevado.
Los símbolos + y – de las figuras 1a y 1b
muestran las direcciones de flujo de corriente en los
arrollamientos en las dos formas alternativas de excitación, en las
que el rotor (7) es atraído o bien en la posición horizontal o a la
posición vertical, tal como se aprecia en las figuras. Se observará
que la rotación del rotor (7) requiere la activación alterna de los
paresde arrollamientos (5) y (6), siendo activado preferentemente
solamente uno de los pares de arrollamientos (5) o (6) al mismo
tiempo, y suministrándose habitualmente la corriente a cada uno de
los pares de arrollamientos (5) o (6) solamente en una dirección
durante dicha activación. No obstante, los arrollamientos pueden ser
activados solamente durante un máximo de la mitad del tiempo por
revolución, si se desea producir un par útil, de manera que no es
posible con este tipo de motor una utilización de alto rendimiento
del circuito eléctrico.
Como contraste, un motor de reluctancia variable
de paso completo, tal como se describe en la publicación de J. D.
Wale y C. Pollock, "Novel Converter Topologies for a
Two-Phase Switched Reluctance Motor with Fully
Pitched Windings", 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 han utilizado los
mismos numerales de referencia para indicar partes iguales que en
las figuras 1a y 1b), comprende dos arrollamientos (10) y (11) que
tienen un paso del doble que el paso de los polos del motor, es
decir, 180º en el ejemplo mostrado, y dispuestos a 90º entre sí. El
arrollamiento (11) puede ser arrollado de manera que una parte del
arrollamiento a un lado del rotor (7) llena una ranura (12) del
estator definida entre polos adyacentes de los pares de polos (3,
4), y otra parte del arrollamiento (11) del lado diametralmente
opuesto del rotor (7) llena una ranura del estator (13) definida
entre dos polos adyacentes del par de polos (3, 4). El arrollamiento
(10) tiene partes correspondientes que llenan ranuras de estator
diametralmente opuestas (14) y (15). De este modo, los dos
arrollamientos (10) y (11) cubren la anchura del motor con los ejes
de los arrollamientos (10, 11) dispuestos en ángulo recto entre
sí.
Además, se han mostrado en las figuras 2a y 2b
dos formas alternativas de excitación de dicho motor que
corresponden a las posiciones vertical y horizontal del rotor (7),
de las que se apreciará que ambos arrollamientos (10, 11) son
activados en ambas modalidades de excitación, pero que, mientras la
dirección del flujo de corriente en el arrollamiento (10) es la
misma en ambas modalidades, la dirección de flujo de corriente en
el arrollamiento (11) cambia entre las dos modalidades. Dado que se
suministra corriente a ambos arrollamientos de fase (10, 11) en
ambas modalidades y dado que cada arrollamiento (10) u (11) ocupa la
mitad del área total de ranura del estator, este sistema puede
conseguir el 100% de la utilización de su área de ranuras. Esto
contrasta con el 50% de utilización que se consigue con un motor de
reluctancia variable arrollado de forma convencional, tal como se
ha descrito anteriormente, en el que solamente un arrollamiento por
fase es activado cada vez. Además, dado que no hay exigencia para
el cambio de la dirección de corriente del arrollamiento (10), el
arrollamiento (10), que puede ser designado arrollamiento de campo,
puede recibir el suministro de corriente continua sin conmutación,
lo que lleva a la simplificación del circuito de excitación
utilizado. No obstante, el arrollamiento (11), que se puede
designar arrollamiento de armadura, debe ser activado con corriente
que varía de modo alterno en sincronismo con la posición del rotor a
efectos de determinar la orientación de cambio del flujo del
estator requerida para atraer al rotor alternativamente a las
posiciones horizontal y vertical. La necesidad de alimentar al
arrollamiento de la armadura con corriente alterna en este tipo de
motor puede resultar en un circuito de excitación de alta
complejidad y elevado coste.
La publicación de J. R. Surano y
C-M Ong, "Variable Reluntance Motor Structures for
Low-Speed Operation", IEEE Transactions on
Industry Applications, Vol. 32, Nº 2 Marzo/Abril 1996, páginas
808-815, y la patente inglesa Nº 2262843 dan a
conocer también motores de paso completo de reluctancia variable. El
motor que se da a conocer en la patente inglesa Nº 2262843 es un
motor de reluctancia variable de tres fases, que tiene tres
arrollamientos que se deben activar con corriente en sincronismo con
rotación del rotor, de manera que este motor requiere un circuito de
excitación de alta complejidad.
La patente EP 0753933A1 da a conocer un motor
síncrono de imán permanente que funciona al arranque en modalidad de
detección de la referencia de polo magnético, en el que la corriente
de mando es aislada del bucle de control de velocidad y se aplica
una corriente alterna de baja frecuencia al motor para realizar la
rotación inicial del rotor.
La patente WO 98/05112 da a conocer un motor de
conmutación de flujo que tiene un estator de cuatro polos (2) que,
tal como se ha mostrado esquemáticamente en la figura 3a, está
dotado de un arrollamiento de campo (10) y un arrollamiento de
armadura (11), cada uno de los cuales está dividido en dos bobinas
(22) y (23) o (24) y (25) acopladas íntimamente (con un acoplamiento
que es sustancialmente independiente de la posición del rotor) y
arrollado de forma que partes diametralmente opuestas de ambas
bobinas están dispuestas dentro de ranuras del estator
diametralmente opuestas. La figura 3b muestra un diagrama de
circuito generalizado para activar las bobinas de armadura (24) y
(25). Las bobinas (24) y (25) están conectadas dentro del circuito,
de manera que un suministro de corriente continua a los terminales
(26) y (27) pasa por ambas bobinas (24) y (25) en la misma dirección
a efectos de generar fuerzas magnetomotrices en dirección opuesta
como resultado de los arrollamientos opuestos de las bobinas. Los
conmutadores (28) y (29), que pueden comprender transistores con
efecto de campo o tiristores, por ejemplo, están conectados en serie
con las bobinas (24) y (25) y son conectados alternativamente para
llevar a cabo la activación alternada de las bobinas (24) y (25), a
efectos de proporcionar las fuerzas magnetomotrices requeridas que
actúan en direcciones opuestas. Es una ventaja de esta disposición
que el arrollamiento de la armadura esté constituido por dos bobinas
acopladas íntimamente, lo que posibilita que cada una de las bobinas
sea activada con corriente solamente en una dirección, de manera que
se pueden utilizar circuitos de excitación relativamente simples.
Una disposición similar puede ser aplicada en un alternador
eléctrico.
La patente GB 18027, de 9 de septiembre de 1901,
da a conocer una máquina de reluctancia variable que tiene juegos
de arrollamientos del estator que son activados alternativamente a
efectos de proporcionar la interacción requerida con el rotor.
Además, la patente GB 554827 da a conocer un alternador inductor en
el que la posición relativa de los dientes del estator y del rotor
produce zonas sucesivas con reluctancia relativamente alta y
relativamente baja, y en la que se disponen arrollamientos de campo
y de corriente alterna en el estator para conseguir la activación
requerida. No obstante, ninguna de estas disposiciones anteriores
posee la característica ventajosa de las bobinas íntimamente
acopladas de la patente WO 98/05112, de manera que se requieren
también en estos casos circuitos asociados de tipo complejo.
Las simplificaciones del circuito introducidas
por la patente WO 98/05112 posibilitan un control electrónico de la
máquina simple y de bajo coste, pero reducen la flexibilidad de la
máquina a controlar en situaciones de rápida aceleración o
desaceleración, reduciendo además el control de la velocidad bajo
carga.
Es un objetivo de la presente invención dar a
conocer una máquina eléctrica que tiene circuitos de control
simples pero que puede conseguir asimismo elevado rendimiento.
De acuerdo con la presente invención, se da a
conocer una máquina eléctrica que comprende un rotor sin
arrollamientos, un estator que tiene un arrollamiento de armadura y
un imán de campo para generar una fuerza magnetomotriz en una
dirección dispuesta transversalmente con respecto a la fuerza
magnetomotriz generada por el arrollamiento de la armadura, medios
de circuito para controlar la corriente en el arrollamiento de la
armadura, de manera que los períodos, en los que una fuerza
magnetomotriz en una dirección es asociada con un primer impulso de
corriente alterna con períodos en los que se asocia una fuerza
magnetomotriz en la dirección opuesta, se asocian con un segundo
impulso de corriente, y medios de detección de posición para
controlar la posición de rotación del rotor y para suministrar
señales de salida a un ritmo que depende de la velocidad de rotación
del motor, caracterizándose por medios de control para suministrar
señales de control a los medios de circuito, para controlar la
corriente en el arrollamiento de armadura como respuesta a dichas
señales de salida, estando dispuestos los medios de control para
producir una señal de control de duración prolongada al inicio de
dicho primer impulso de corriente en el arranque del rotor desde
reposo, en comparación con la duración de las señales de control
producidas en el resto de dicho primer impulso de corriente.
Este impulso de corriente prolongado en el
arranque ayuda a establecer las corrientes de bobinado sin
provocar, por ejemplo, un sobrevoltaje amortiguador. Las
realizaciones preferentes de la invención permiten el control de la
aceleración, velocidad sin carga, características
par-velocidad con carga y frenado de la máquina, que
se pueden conseguir con el simple control marcha/paro de
dispositivos de conmutación de armadura y de campo, de manera que se
pueden producir los circuitos de control apropiados a un coste
relativamente bajo. La simplificación de los circuitos de control se
puede asegurar adicionalmente realizando dicho control sin detección
de la corriente.
A efectos de que la invención se pueda comprender
de manera más completa, se hará referencia a continuación, a título
de ejemplo, a los dibujos adjuntos, en los que:
las figuras 1a y 1b son diagramas explicativos
que muestran un motor de reluctancia variable convencional, de dos
fases, con dos modalidades de excitación mostradas en las figuras 1a
y 1b;
las figuras 2a y 2b son diagramas explicativos
que muestran un motor con conmutación de flujo, con las dos
modalidades de excitación mostradas en las figuras 2a y 2b;
las figuras 3a y 3b son diagramas explicativos
que muestran los arrollamientos del estator para un motor con
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 que tiene un estator de ocho polos y un rotor
de cuatro polos;
las figuras 5 y 6 son diagramas de circuito que
muestran diferentes disposiciones de circuito para activar los
arrollamientos de campo y de armadura de dicho motor;
las figuras 7, 8 y 9 son diagramas de circuito
que muestran otras disposiciones de circuito para activar los
arrollamientos de campo y de armadura de dicho motor;
las figuras 10a, 10b, 10c, 10d, 10e y 10f son
diagramas de temporización que muestran las señales de control
aplicadas durante el arranque del motor en realizaciones preferentes
de la invención; y
las figuras 11 y 12 son diagramas de corriente
que muestran otras disposiciones adicionales de circuito.
La siguiente descripción de una realización de la
invención se facilita con referencia a un motor serie con
conmutación de flujo, que tiene un estator (2) dotado de ocho polos
salientes dirigidos hacia adentro y un rotor (7) que tiene cuatro
polos salientes dirigidos hacia afuera (31) sin arrollamientos, tal
como se ha mostrado en la figura 4. El estator (2) está dotado de un
arrollamiento de campo (10) y un arrollamiento de armadura (11)
conectados en una configuración en serie. El arrollamiento de
armadura (11) y el arrollamiento de campo (10) comprenden cuatro
partes de arrollamiento de armadura (A1), (A2), (A3) y (A4) y cuatro
partes de arrollamiento de campo (F1), (F2), (F3) y (F4) conectadas
en serie o en paralelo (o en cualquier combinación de serie y
paralelo), estando dividida cada una de las partes de arrollamiento
de armadura en dos bobinas que están íntimamente acopladas
magnéticamente y arrolladas de manera que partes diametralmente
opuestas de las bobinas están dispuestas dentro de dos ranuras de
estator que están separadas por una ranura de arrollamiento de
campo. Las bobinas de armadura están arrolladas en direcciones
opuestas y se pueden arrollar en modalidad bifilar, en caso
necesario. En la figura 4, los símbolos + y – muestran las
direcciones de flujo de corriente en los arrollamientos en una
modalidad de excitación, y se comprenderá que, en la modalidad de
excitación alterna, la dirección del flujo de corriente en los
arrollamientos de la armadura es inversa, mientras que la dirección
de flujo de corriente en los arrollamientos de campo no presenta
cambios.
La figura 5 muestra un circuito de activación
(40) destinado a suministrar corriente al arrollamiento de campo
(10) y a las bobinas de armadura íntimamente acopladas (24) y (25)
(siendo considerada cada una de ellas como combinación de las
bobinas de las cuatro partes de arrollamiento de armadura (A1),
(A2), (A3) y (A4) de la figura 4), en el caso de que el
arrollamiento de campo (10) esté conectado en serie con el
suministro eléctrico al circuito. El circuito (40) es alimentado
desde 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
suministrar corriente alternativamente a las bobinas de armadura
(24) y (25) a efectos de proporcionar las fuerzas magnetomotrices
requeridas para actuar en direcciones opuestas para provocar el giro
del rotor. Cada uno de los IGBT (50) o (51) incluye un diodo libre
(52) o (53) de manera que, al desconectar cada uno de los IGBT, la
energía magnética almacenada en la correspondiente bobina es
acoplada a la otra bobina y vuelve a través del diodo libre del otro
IGBT. Además, los extremos de las bobinas de armadura (24) y (25)
están conectados por diodos (63) y (64) a un condensador
amortiguador (65) que se carga a un voltaje por encima del voltaje
de alimentación. El condensador amortiguador (65) es descargado por
la resistencia en paralelo (66) a efectos de pasar la energía
almacenada en el condensador amortiguador (65) procedente del
proceso de conmutación imperfecta. El condensador amortiguador (65)
está dispuesto para captar energía no transferida a la otra bobina
de armadura cuando una de las bobinas de armadura es desconectada
por su respectivo dispositivo de conmutación.
El circuito amortiguador adicional formado por
los componentes (63), (64), (65) y (66) es especialmente importante
cuando se utilizan transistores bipolares de puerta aislada (IGBT)
como dispositivos de conmutación. Los IGBT son fácilmente dañados
por sobrevoltajes del dispositivo, y el circuito amortiguador es
utilizado para limitar los voltajes que aparecen en el circuito a
un nivel menor que el voltaje nominal del IGBT. Cuando se utilizan
MOSFET, tal como en la figura 5, el circuito amortiguador puede ser
suprimido si los MOSFET se escogen para proporcionar una pinza
inherente de voltaje al entrar en modalidad de descarga (avalancha)
por encima de su voltaje nominal. La modalidad de descarga absorbe
la energía magnética no acoplada asociada con el acoplamiento
imperfecto de los arrollamientos de armadura entre sí. En el
supuesto de que se dispone de adecuada disipación de calor, el
MOSFET no sufrirá daños por este proceso, y por lo tanto no se
requieren la complejidad y el coste del circuito amortiguador.
Un condensador (57) está conectado al punto de
interconexión entre el arrollamiento de campo (10) y las bobinas de
armadura (24, 25) a efectos de que la corriente de campo continúe
fluyendo al retornar la energía del arrollamiento de armadura
nuevamente al condensador (57) a través de uno de los diodos (52) ó
(53). Otro condensador (58) está conectado a través de la salida del
puente rectificador (59), y un inductor opcional (60) está
conectado en serie con la salida del puente rectificador (59), a
efectos de filtrar la alimentación al circuito. Tal como se ha
mostrado en líneas de trazos, es también posible disponer un diodo
(61) en serie con el arrollamiento de campo (10) para impedir que la
corriente del arrollamiento de campo (10) se invierta cuando el
condensador (57) es cargado a un voltaje por encima del voltaje de
suministro en el condensador (58). No obstante, el diodo (61) puede
ser omitido, en caso necesario. El puente rectificador (59) (y
opcionalmente el condensador -58- y el inductor -60-) pueden ser
sustituidos por una batería u otra forma de suministro en corriente
continua, sin salir del ámbito de la invención.
De acuerdo con la presente invención, el motor de
conmutación de flujo debe ser diseñado de manera que la fuerza
magnetomotriz en el arrollamiento de campo se relacione con la
fuerza magnetomotriz en el arrollamiento de armadura para obtener
un rendimiento óptimo. Preferentemente, las espiras N_{f} en el
arrollamiento de campo se escogen para que correspondan a la fuerza
magnetomotriz de campo deseada MMF_{f}, que se relaciona con la
fuerza magnetomotriz de la armadura funcional MMF_{a} (basándose
en un valor rms) por la relación:
MMF_{f} = k.
MMF_{a}
Preferentemente, la constante k tiene un valor
comprendido entre 0,6 a 1,8, y más preferentemente entre 1,0 a
1,5.
Para una salida de potencia determinada, la
potencia de entrada puede ser calculada por la adición de las
pérdidas de potencia a la potencia de salida. La corriente de campo
promedio en serie con el motor se determina a continuación por la
entrada de potencia dividida por el voltaje de suministro de
corriente continua. El número de espiras N_{f} en el
arrollamiento de campo puede, por lo tanto, ser dispuesto
aproximadamente igual a:
\frac{MMF_{f}.
V_{dc}}{P_{in}}
en la que V_{dc} = voltaje de
alimentación en corriente continua (basado en valor promedio);
y
P_{in} = potencia de entrada, estimada a partir
de la potencia de salida requerida.
El número de espiras de la armadura debe ser
escogido para conseguir la velocidad operativa correcta para la
salida de par requerida.
La figura 6 muestra una modificación de este
circuito de acuerdo con la invención en el que un arrollamiento de
campo secundario (70) es acoplado íntimamente al arrollamiento de
campo (10), y un diodo (71) está conectado para poner efectivamente
en cortocircuito el arrollamiento secundario de campo (70). Se
hacen circular corrientes inducidas en el arrollamiento de campo
secundario (70) de manera tal que se limita la variación en el
flujo de campo debido a cambios en la reluctancia y excitación de la
armadura. Esta disposición ofrece también una cierta reducción del
nivel de la corriente con fluctuaciones en el arrollamiento
principal de campo (10). El diodo (71) en serie con el
arrollamiento de campo secundario (70) limita el flujo de corriente
en el arrollamiento (70) a la dirección que ayuda al arrollamiento
principal de campo (10) ofreciendo, no obstante, todavía una cierta
reducción de la corriente con fluctuaciones ("ripple"). Se ha
demostrado experimentalmente que esta disposición es capaz de
reducir las fluctuaciones de la corriente de entrada, incrementado
simultáneamente la potencia suministrada al motor para una
corriente de armadura determinada. Un diodo (61) puede ser dispuesto
también de manera opcional en serie con el arrollamiento principal
de campo (10).
En el arranque de este tipo de motor, se deben
tomar medidas especiales para asegurar un arranque correcto. Las
solicitudes copendientes del propio solicitante Nº
PCT/GB00/- - y PCT/GB00/- - (M&C Ref. P50539PC y
P51247PC) dan a conocer un proceso de arranque especial utilizando
modulación de amplitud de impulsos para un motor que tiene un
arrollamiento de campo conectado en una configuración en derivación
o en paralelo. No obstante, este método de modulación de amplitud
de impulsos se ha observado que es ineficaz en el arranque de un
motor del tipo que tiene su arrollamiento de campo con una
configuración en serie. La razón de ello es porque el voltaje del
condensador (57) aumenta durante el corte en dicho método de
modulación de la amplitud de impulsos y no se retira corriente
significativa a través del arrollamiento en serie del campo. En este
caso, la excitación de la armadura por sí misma no es suficiente
para arrancar el motor.
Se han evaluado una serie de métodos distintos
para el arranque de este motor, teniendo su arrollamiento de campo
en configuración serie, incluyendo métodos de modulación simplemente
de impulsos y de amplitud de impulsos (frecuencias distintas y
diferentes ciclos de trabajo). No obstante, se ha llegado a la
conclusión de que los métodos únicamente de impulsos conducen a
corrientes excesivamente grandes a baja velocidad, forzando los
impulsos a que sean demasiado cortos para ser eficaces. Además, los
métodos de modulación de amplitud de impulsos, si bien se han
considerado inicialmente más prometedores, conducen con rapidez a
la producción de voltajes amortiguadores excesivos. Estos voltajes
amortiguadores excesivos son provocados por la acumulación de
energía en el condensador (57) que, a su vez, aumenta el voltaje de
suministro de la armadura sobre el que se superpone el voltaje
amortiguador. Además, esta acumulación del voltaje de la armadura
durante la modulación de la amplitud de impulsos reduce la corriente
de campo que pasa y, por lo tanto, reduce el par inicial.
De acuerdo con ello, se propone otra modificación
en el circuito, en el caso de que se requieran elevadas tasas de
aceleración, en el que un diodo (76) es conectado en paralelo con el
arrollamiento de campo (10), tal como se muestra en la figura 7, a
efectos de asegurar que el voltaje en el condensador (57) no puede
superar el voltaje en el condensador (58) durante el proceso de
arranque. Esta disposición se ha demostrado que impide la excesiva
acumulación de voltaje en el condensador (57), que podría dañar los
dispositivos de conmutación, conservando la ventaja de que el
condensador (57) permite una rápida inicialización de la corriente
de la armadura en el inicio de cada impulso antes de que se pueda
establecer por completo la corriente de campo. La disposición del
diodo (76) posibilita la utilización de modulación de la amplitud de
impulsos. No obstante, a efectos de minimizar el voltaje
amortiguador mientras se controla suficiente corriente para
garantizar el arranque, es necesario que se reduzca la frecuencia
inicial de corte. Se ha observado que, incluso con la frecuencia de
corte inicial reducida a 1,7 kHz y con el ciclo de trabajo inicial
ajustado al valor máximo posible para voltajes de amortiguador
aceptables, existen todavía posiciones del rotor próximas a una
posición alineada en la que el motor no llega a producir par de
arranque suficiente.
Esto se puede resolver aplicando uno o varios
impulsos iniciales grandes al primer conmutador de armadura antes
de iniciar el corte de modulación de amplitud de impulso
convencional. Por ejemplo, la amplitud de impulso inicial se puede
optimizar en 720 \mus a efectos de producir más de 60 A de
corriente de armadura en algunas posiciones del rotor. En este
caso, cuando el conmutador de armadura es desconectado al final del
impulso, existe un aumento considerable en el voltaje amortiguador.
No obstante, dado que este es el impulso inicial aplicado al
condensador amortiguador descargado, esto no llega a sobrevoltajes.
Además, la disposición de dicho impulso inicial antes de la
modulación de amplitud de impulso convencional tiene la ventaja
adicional de que conduce a un establecimiento más rápido de la
corriente de campo a efectos de acelerar el rotor. En otros motores
sometidos a prueba con los circuitos según la invención, era
preferible aplicar varios impulsos sucesivos de valores
predeterminados al conmutador de armadura apropiado. Esto permitió
que la corriente de armadura disminuyera durante el tiempo
comprendido entre los impulsos. No obstante, la corriente de campo
no disminuyó tan rápidamente debido a la presencia del diodo (76) (o
tiristor -80-) de manera tal que el segundo impulso de la corriente
de armadura condujo a otro incremento adicional más rápido de la
corriente de campo que el que se conseguía solamente con un único
impulso largo.
Estos métodos de arranque han sido comprobados
satisfactoriamente con una serie de ángulos de avance estáticos con
diferentes valores de capacidad del condensador (57). No obstante,
el arranque es más fiable con pequeños valores de la capacitancia
del condensador (57), dado que valores superiores (superiores a 15
\muF) conducen a retraso de fase en la constitución de la
corriente de campo.
Las figuras 10a, 10b, 10c y 10d muestran
diagramas de temporización durante el arranque de un motor
utilizando un ángulo de avance estático de 6º y un valor de
capacitancia de 7,5 \muF para el condensador (57), siendo la
amplitud de impulso inicial de 720 \mus y teniendo la subsiguiente
modulación de amplitud de impulso una frecuencia de 1.785 kHz y un
ciclo de trabajo de 0,36. En la figura 10a, el numeral de
referencia (77) indica la corriente de campo, el numeral (78) indica
una polaridad de la corriente de la armadura y el numeral (79) el
voltaje del nodo (65A) en la figura 7. Esto muestra que la
disposición del impulso inicial con una amplitud de 720 \mus
produce un incremento en la corriente de campo (77), pero que la
corriente de campo disminuye gradualmente durante la aplicación de
impulsos subsiguientes. Además, el voltaje sobre los dispositivos
de conmutación disminuye inicialmente por el impulso inicial, pero
no aumenta a continuación a un mayor nivel durante la aplicación de
impulsos subsiguientes. La figura 10b muestra formas de onda
correspondientes de corriente y de voltaje para el caso en el que el
arranque tiene lugar con el rotor en posición opuesta con respecto
al sensor, lo que da lugar a corriente de armadura de polaridad
opuesta para la misma corriente de campo. La figura 10c muestra las
formas de onda de corriente y voltaje en una escala más comprimida
que en la figura 10a, de manera que se puede observar la
constitución de las corrientes de campo y de armadura (77) y (78) y
el voltaje (79) que conduce al primer borde (80) de la salida del
sensor. La figura 10b muestra las corrientes de campo y de armadura
(77, 78) y el voltaje (79) en una escala todavía más comprimida, a
efectos de indicar la disposición de un retardo de 14 \mus (25
ciclos de modulación de amplitud de impulso) siguiendo los tres
bordes de sensor antes de que se active la otra bobina de armadura.
Durante este tiempo, no se excita ninguna bobina de la armadura a
efectos de evitar excesiva corriente de armadura y de voltaje
amortiguador.
Un método de arranque modificado es el que se
muestra en las figuras 10e y 10f, en el que se utilizan dos
impulsos sucesivos de arranque con una amplitud incrementada, en vez
de uno, a efectos de mantener un voltaje amortiguador de 1000 V
cuando se efectúa el arranque rápido del motor. El numeral de
referencia (87) indica el voltaje en el condensador (57), el
numeral (88) indica una polaridad de la corriente de armadura, el
numeral (89) indica el voltaje amortiguador y (90) indica la
corriente de campo. La longitud de los impulsos de arranque y el
tiempo intermedio entre ellos se indican en la tabla 1. Se observará
que el tiempo total de impulso de los dos impulsos conjuntamente es
justamente superior a 720 \mus. La figura 10f muestra el arranque
desde una posición distinta a la de la figura 10e.
\vskip1.000000\baselineskip
| Variable | Valor |
| Impulso 1 | 405 \mus |
| Tiempo intermedio | 242 \mus |
| Impulso 2 | 324 \mus |
La subsiguiente modulación de amplitud de
impulsos tiene una frecuencia de 5 kHz con un ciclo de trabajo de
40%.
Mientras que la disposición del diodo (76) en
paralelo con el arrollamiento de campo (10) en la modificación de
la figura 7 permite un arranque satisfactorio del motor, se ha
observado que la presencia del diodo (76) elimina la ventaja de
aumento del voltaje del condensador (57) cuando el motor funciona a
alta velocidad, y esto reduce, a su vez, la salida de potencia del
motor a cualquier velocidad (para un diseño determinado de un
arrollamiento). De acuerdo con ello, en algunas aplicaciones, se
puede observar ventajoso conectar un interruptor mecánico en serie
con el diodo (76) de manera que el diodo (76) puede ser retirado
del circuito una vez que el motor ha arrancado. En vez de disponer
un conmutador mecánico en serie con el diodo (76), el diodo (76)
puede ser sustituido por un conmutador electrónico, tal como un
tiristor (80), tal como se ha mostrado en la figura 8. El tiristor
(80) es conectado durante el arranque y aceleración del motor, pero
es desconectado cuando el motor alcanza la velocidad operativa
deseada. A este respecto, la conmutación del tiristor (80) tendrá
lugar de manera natural cuando el voltaje en el condensador (57)
disminuye por debajo del voltaje en el condensador (58).
Además, la figura 9 muestra una disposición de
circuito alternativo de la figura 8, en la que el arrollamiento
(10) de campo es colocado en el brazo de retorno del circuito, y el
tiristor (80) se referencia al potencial de tierra haciendo el
control del tiristor (80) mucho más simple porque está referenciado
al mismo voltaje de suministro que los conmutadores de la armadura.
Igual que antes, el tiristor (80) necesita ser conductor durante el
arranque y aceleración del motor, pero es desconectado cuando el
motor alcanza velocidad sin carga y permanecerá desconectado
durante la totalidad de la carga subsiguiente. En las disposiciones
de las figuras 8 y 9, se debe tener cuidado en asegurar que el
tiristor (80) conmuta satisfactoriamente a la velocidad requerida,
y asegurar que el tiristor (80) no se dispara por transitorios de
voltaje rápidos. De manera alternativa, el tiristor (80) puede ser
sustituido por un IGBT o MOSFET conectado en serie con un diodo para
bloquear la conducción inversa.
La figura 11 muestra otra disposición posible de
circuito, en la que un dispositivo (81) de supresión de voltaje en
serie con el diodo (76) está conectado en paralelo con el
arrollamiento de campo (10) para limitar el incremento de voltaje
en el condensador (57) durante el arranque del motor. El dispositivo
(88) de supresión de voltaje conduce solamente si el voltaje del
condensador (57) supera el voltaje en el condensador (58) en una
magnitud predeterminada, y entonces impedirá que el voltaje supere
dicha magnitud. La ventaja de este circuito es que el nivel de
aumento de voltaje durante el arranque y funcionamiento se puede
controlar con exactitud sin necesidad de un conmutador controlador
adicional. Esto tiene el efecto de fijar el voltaje una vez que ha
aumentado hasta el valor requerido, permitiendo simultáneamente que
el condensador (57) proporcione aumento de voltaje durante el
funcionamiento.
En ciertas aplicaciones puede ser ventajoso
dividir el arrollamiento de campo entre los sectores de
alimentación positivo y negativo a efectos de mejorar el rendimiento
del motor. La figura 12 muestra una disposición en la que los
arrollamientos de campo (10) y (10') quedan dispuestos en los
sectores de suministro positivo y negativo. Además, un tiristor
(82) está conectado en paralelo con el arrollamiento (10'). En este
caso, solamente uno de los arrollamientos (10, 10') necesita ser
conmutado, dado que, una vez que el tiristor (82) es conectado, el
voltaje sobre el arrollamiento (10') es controlado, y, en virtud del
acoplamiento magnético íntimo de los dos arrollamientos de campo,
esto controlará también el voltaje sobre el arrollamiento (10),
asegurando de esta manera que el voltaje en el condensador (57) no
puede superar el voltaje en el condensador (58).
Claims (16)
1. Máquina eléctrica, que comprende un rotor (7)
sin arrollamientos, un estator (2) con un arrollamiento de armadura
(11) y medios de imanes de campo (10) para generar una fuerza
magnetomotriz en una dirección que se extiende transversalmente con
respecto a la fuerza magnetomotriz generada por el arrollamiento de
armadura, medios de circuito (40) para controlar la corriente en el
arrollamiento de armadura (11), de manera que períodos en los que
una fuerza magnetomotriz en una dirección es asociada con el primer
impulso de corriente alternan con períodos en los que una fuerza
magnetomotriz en dirección opuesta es asociada con un segundo
impulso de corriente, y medios detectores de posición para controlar
la posición de rotación del rotor y para suministrar señales de
salida a un ritmo dependiente de la velocidad de rotación del rotor,
caracterizada por medios de control para suministrar señales
de control a los medios de circuito (40) para controlar la corriente
en el arrollamiento (11) de la armadura como respuesta a las señales
de salida, estando dispuestos los medios de control a efectos de
producir una señal de control de duración prolongada en el inicio de
dicho primer impulso de corriente en el arranque del rotor desde
reposo, en comparación con la duración de las señales de control
producidas durante el resto de dicho primer impulso de
corriente.
2. Máquina, según la reivindicación 1, en la que
se conectan unos medios rectificadores (76, 80, 81, 82) en paralelo
con los medios de imán de campo (10) para impedir una generación
excesiva de voltaje de suministro de la armadura en el arranque del
rotor desde reposo.
3. Máquina, según la reivindicación 1 ó 2, en la
que, en la modalidad de baja velocidad, los medios de control están
dispuestos para producir señales de control moduladas en amplitud de
impulsos con un ciclo de trabajo que se incrementa con el incremento
de la velocidad del rotor para controlar la corriente en el
arrollamiento (11) de la armadura cuando el rotor gira a una
velocidad relativamente baja.
4. Máquina, según las reivindicaciones 1, 2 ó 3,
en la que, en la modalidad de alta velocidad, los medios de control
(32) están dispuestos para producir señales de control que no están
moduladas con amplitud de impulsos para controlar la corriente en el
arrollamiento de armadura (11) cuando el rotor gira a una velocidad
relativamente alta.
5. Máquina, según las reivindicaciones 1, 2 ó 3,
en la que los medios de imán de campo incorporan un arrollamiento
de campo (10) conectado en serie con el arrollamiento de armadura
(11).
6. Máquina, según la reivindicación 5, en la que
los medios de circuito (40) incorporan terminales principales y
medios de capacitancia, y en la que los medios de capacitancia
comprenden una capacitancia (57) acoplada entre uno de los
terminales principales y el extremo del arrollamiento de campo (10)
al que está acoplado el arrollamiento de armadura (11), siendo tal
el valor de la capacitancia del condensador (57) que el voltaje a
través del condensador (57) es capaz de aumentar a un nivel en el
que ayuda a la inicialización rápida de la corriente de la armadura
al inicio de cada uno de los impulsos de corriente.
7. Máquina, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que el arrollamiento de
armadura (11) comprende bobinas de armadura (24, 25) conectadas a
los medios de circuito (40), de manera que las corrientes en las
bobinas (24, 25) varían en sincronismo con la rotación del rotor, de
manera tal que períodos en los que la fuerza magnetomotriz está
asociada con el flujo de corriente en una de las bobinas (24)
alternan con períodos en los que una fuerza magnetomotriz en
dirección opuesta está asociada con el flujo de corriente en la
otra bobina (25).
8. Máquina, según la reivindicación 7, en la que
las bobinas (24, 25) están acopladas íntimamente de forma
magnética.
9. Máquina, según la reivindicación 7 ó 8, en la
que los medios de circuito (40) comprenden medios de conmutación
correspondientes (50, 51) para la conducción alternativa de primeros
impulsos de corriente en una de las bobinas de armadura (24) y
segundos impulsos de corriente en la otra bobina de armadura (25)
bajo el control de los medios de control (32).
10. Máquina, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que un arrollamiento secundario
(70) está acoplado íntimamente a los medios de imán de campo, que
adoptan forma de un arrollamiento de campo (10), y está conectado en
un circuito con medios rectificadores (71) de manera que se induce
flujo de corriente en el arrollamiento secundario (70) y los medios
rectificadores (71) por flujo de corriente en el arrollamiento de
campo (10), de manera tal que tiende a mantener el flujo en el
arrollamiento de campo (10) sustancialmente constante.
11. Máquina, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que los medios de circuito (40)
incorporan terminales principales y medios de capacitancia
incluyendo una primera capacitancia (57) acoplada entre uno de los
terminales principales y un punto de circuito (57A) intermedio entre
los medios de imán de campo (10) y el arrollamiento de armadura
(11).
12. Máquina, según la reivindicación 11, en la
que los medios de capacitancia comprenden además una segunda
capacitancia (58) conectada sobre los terminales principales.
\newpage
13. Máquina, según la reivindicación 12, en la
que la primera capacitancia (57) tiene un valor de la capacitancia
tal que el voltaje en dicho punto del circuito (57A) intermedio de
los medios de imán de campo (10) y el arrollamiento de armadura (11)
es capaz de aumentar por encima del voltaje que existe sobre la
segunda capacitancia (58) para aumentar el voltaje que inicializa la
corriente de la armadura al inicio de cada impulso de corriente.
14. Máquina, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que los medios de imán de campo
adoptan forma de un arrollamiento de campo (10) conectado en una
configuración en serie con el arrollamiento de armadura (11), y la
fuerza magnetomotriz de campo deseada MMF_{f} se relaciona con la
fuerza electromotriz de la armadura de trabajo MMF_{a} por un
valor sustancialmente constante k.
15. Máquina, según la reivindicación 14, en la
que el número de espiras del arrollamiento de campo es
sustancialmente proporcional al producto de la fuerza magnetomotriz
de la armadura y del voltaje de suministro dividido por la entrada
de potencia.
16. Máquina, según la reivindicación 14 ó 15, en
la que k tiene un valor comprendido en una gama entre 0,6 a 1,8,
preferentemente en una gama entre 1,0 a 1,5.
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