ES2253260T3 - Procedimiento de control y de proteccion de motores electricos y sistema de control para un motor electrico. - Google Patents
Procedimiento de control y de proteccion de motores electricos y sistema de control para un motor electrico.Info
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Abstract
Un método para controlar y proteger motores eléctricos (10) provistos de un rotor, especialmente motores de imán permanente accionados electrónicamente por un sistema de control (2), comprendiendo el motor eléctrico (10) polos, comprendiendo el sistema de control (2) un detector de posición que detecta las posiciones de conmutación del rotor con respecto a los polos del motor, estando caracterizado el método por comprender los pasos de: - Repetir continuamente el paso de leer el detector de posición, hasta que un tiempo mínimo esperado haya pasado y apagar el sistema de control (2) si es detectado un cambio de posición del rotor por el detector de posición, empezando a ser contado el tiempo mínimo esperado cuando hay un cambio de posición del rotor del motor, - después de que haya pasado el tiempo mínimo esperado, repetir continuamente el paso de leer el detector de posición, hasta que se detecta un cambio de posición del rotor y apagar el sistema de control (2) si ha pasado un tiempo máximo esperado, siendo posteriormente contado el tiempo máximo esperado después de que haya pasado el tiempo mínimo esperado, - si se detecta un cambio de posición dentro del tiempo máximo esperado, medir la posición del rotor y accionar la siguiente fase del motor si la posición alcanzada por el rotor es una posición correcta previamente predicha, o apagar el sistema si la posición alcanzada por el rotor no es la posición correcta previamente predicha; - medir la posición del rotor para detectar si se ha alcanzado una vuelta completa, y u si se ha completado una vuelta del rotor, leer la velocidad de rotación del rotor y calcular un valor corregido de los tiempos esperados máximo y mínimo y después repetir los pasos desde el paso de repetir continuamente el paso de leer el detector de posición hasta que un tiempo mínimo esperado haya pasado, o u si no se ha completado una vuelta completa del rotor, repetir los pasos desde el paso de repetir continuamente el paso de leer el detector de posición hasta que un tiempo mínimo esperado haya pasado.
Description
Procedimiento de control y de protección de
motores eléctricos y sistema de control para un motor eléctrico.
La presente invención está dirigida a un método
para controlar y proteger motores eléctricos, especialmente motores
de imán permanente accionados electrónicamente por un sistema de
control que comprende un puente inversor de trifásico, en el cual se
requiere vigilar la posición del rotor utilizando un detector de
posición unido físicamente al eje o a través de la tensión inducida
en los devanados por el imán, para una correcta acción de control
por el sistema de control. La presente invención también está
dirigida a un sistema para controlar motores eléctricos y un sistema
de motor eléctrico.
El objetivo de esta invención es evitar que uno o
más conmutadores del puente inversor trifásico sean accionados en un
instante inapropiado, lo que puede llevar a la generación de altas
corrientes que no pueden ser detectadas por el detector de
corriente, las susodichas corrientes pueden causar la
auto-desmagnetización del imán del rotor, además de
causar daños a los conmutadores del susodicho puente inversor.
Se requiere la detección de la posición del rotor
para el accionamiento de los motores de imán permanente.
Según el arte anterior a la presente invención,
tal detección puede lograrse por medio de sensores conectados
físicamente al rotor ("Hall", tipo óptico, y similares) u
observando los voltajes inducidos en los mismos devanados del motor,
como se describe en la patente de aplicación brasileña PI 8805485,
de un modo tal que el control pueda seleccionar correctamente qué
fases del motor serán activadas cada vez.
Como se describe con más detalle a continuación,
la unidad de control, cuando trabaja normalmente, analiza la entrada
del detector de posición y del detector de corriente de protección,
activando de este modo las salidas respectivas según una tabla
predeterminada. Sin embargo, si hay un fallo en el detector de
posición, es probable que uno o más conmutadores del puente inversor
trifásico sean activados incorrectamente, lo que puede provocar la
generación de altas corrientes que no son detectadas por el detector
de corriente, dando de este modo como resultado la
auto-desmagnetización del imán del motor y daños en
los conmutadores del puente inversor trifásico.
Como se conoce, la desmagnetización del imán,
hace difícil arrancar el motor, disminuye la salida y sobrecalienta
el motor, siendo inadmisible en todos los casos.
Todavía según el arte anterior a esta invención,
se toman las siguientes medidas para evitar la
auto-desmagnetización del imán del motor: el diseño
de un motor más robusto, con un grosor aumentado de imán, lo que
aumentaría el coste considerablemente, especialmente con vistas a un
imán mayor; la instalación de un detector de corriente de protección
en cada conmutador o cada fase del motor, lo que no solamente
aumentaría el coste sino también la complejidad del sistema, debido
al mayor número de detectores y señales a analizar para el control;
o la simple eliminación de la protección contra la
auto-desmagnetización, dejando de este modo la
integridad del motor bajo la posibilidad estadística del
acontecimiento de un fallo, lo que representa un grave riesgo no
sólo para el sistema, sino también para la imagen del
fabricante.
Una de las técnicas conocidas de un arte anterior
para vigilar la posición del rotor de un motor eléctrico se revela
en el documento US 4.532.461. Esta solución provee una protección al
motor si se detecta una posición incorrecta del rotor. Según esta
técnica se vigilará una secuencia de posiciones y se medirá si hay
una desviación en la susodicha secuencia con respecto a una
secuencia predeterminada.
Otra referencia del arte anterior que se refiere
a un sistema utilizado para vigilar el rotor de un motor eléctrico
se revela en el documento JP 09261991. Según las enseñanzas de este
documento, el momento entre el paso del rotor por cierto polo y el
paso junto al polo siguiente deberá ser vigilado por medio del
tiempo transcurrido entre estos acontecimientos.
Después de numerosas investigaciones, se
evidenció que, cuando trabaja normalmente y sigue la misma dirección
de rotación, la secuencia en la que las posiciones del rotor se
actualizan en el sensor es siempre la misma. De este modo, tal
secuencia puede ser predeterminada, por lo cual la unidad de control
del sistema para controlar un motor podría prever la secuencia
cuando las posiciones del rotor cambiaran. Conociendo la velocidad a
la que el motor está girando, es posible prever el tiempo en el que
la posición del rotor cambiará.
Con esta información, la unidad de control puede
evitar fallos cuando el motor es accionado, garantizando de este
modo la integridad del imán del rotor y de los conmutadores del
puente inversor.
Según las enseñanzas de la presente invención, la
unidad de control sólo aceptará como válida la posición prevista
para la dirección de rotación aplicable, y siempre en el momento
esperado para la presente velocidad.
Preferentemente, debería considerarse, cuando se
determina ese momento, un intervalo de tolerancia que define un
tiempo mínimo y un tiempo máximo, durante el cual debería ocurrir un
cambio en la posición.
La presente invención presenta las ventajas,
comparado con el arte anterior, de que no es necesario ningún
sobredimensionado del imán del rotor, el coste y la complejidad del
motor disminuyen, y el detector de corriente de protección se
simplifica, además de conferir una gran fiabilidad al sistema.
Tales ventajas se alcanzan gracias a un método
para controlar y proteger motores eléctricos provistos de un rotor,
especialmente motores de imán permanente accionados electrónicamente
por un sistema de control, comprendiendo el motor eléctrico polos,
comprendiendo el sistema de control un detector de posición que
detecta las posiciones de conmutación del rotor con respecto a los
polos del motor, estando caracterizado el método por comprender los
pasos de repetir continuamente el paso de leer el detector de
posición, hasta que un tiempo mínimo esperado haya pasado y apagar
el sistema de control si es detectado un cambio de posición del
rotor por el detector de posición, empezando a ser contado el tiempo
mínimo esperado cuando hay un cambio de posición del rotor del
motor; después de que haya pasado el tiempo mínimo esperado, repetir
continuamente el paso de leer el detector de posición, hasta que se
detecta un cambio de posición del rotor y apagar el sistema de
control si ha pasado un tiempo máximo esperado, siendo
posteriormente contado el tiempo máximo esperado después de que haya
pasado el tiempo mínimo esperado; si se detecta un cambio de
posición dentro del tiempo máximo esperado, medir la posición del
rotor y accionar la siguiente fase del motor si la posición
alcanzada por el rotor es una posición correcta previamente
predicha, o apagar el sistema si la posición alcanzada por el rotor
no es la posición correcta previamente predicha; medir la posición
del rotor para detectar si se ha alcanzado una vuelta completa, y si
se ha completado una vuelta del rotor, leer la velocidad de rotación
del rotor y calcular un valor corregido de los tiempos esperados
máximo y mínimo y después repetir los pasos desde el paso de repetir
continuamente el paso de leer el detector de posición hasta que un
tiempo mínimo esperado haya pasado, o si no se ha completado una
vuelta completa del rotor, repetir los pasos desde el paso de
repetir continuamente el paso de leer el detector de posición hasta
que un tiempo mínimo esperado haya pasado.
La presente invención también se expresa como un
sistema de control para un motor eléctrico, especialmente un motor
de imán permanente, comprendiendo el motor polos y un rotor,
comprendiendo el sistema de control un puente inversor trifásico y
un detector de posición apropiado para detectar las posiciones de
conmutación del rotor con respecto a los polos del motor, estando el
sistema de control caracterizado por el hecho de que comprende un
microcontrolador que colabora con el detector de posición y además
colabora con un contador, el sistema de control está dispuesto para
repetir continuamente el paso de leer el detector de posición hasta
que un tiempo mínimo esperado haya pasado, siendo contado el tiempo
mínimo esperado por medio del contador, empezando a ser contado el
tiempo mínimo esperado cuando hay un cambio de posición del rotor
del motor, y siendo apagado el sistema de control si es detectado un
cambio de posición del rotor por el detector de posición dentro del
tiempo mínimo esperado, el sistema de control está dispuesto para
repetir continuamente el paso de leer el detector de posición hasta
que se haya detectado un cambio de posición del rotor y apaga el
sistema de control si ha pasado un tiempo máximo esperado, siendo
contado el tiempo máximo esperado por medio del contador y
posteriormente contado después de que el tiempo mínimo esperado haya
pasado, el sistema de control está dispuesto para comparar los
cambios de posición del rotor con una posición correcta previamente
predicha, y el sistema de control es apagado si la posición
alcanzada por el rotor no es una posición correcta previamente
predicha, y el sistema de control está dispuesto para vigilar la
posición del rotor para leer la velocidad de rotación del rotor y
calcula un valor corregido de los tiempos esperados máximo y mínimo
después de que se haya completado una vuelta completa del rotor.
La presente invención será descrita a
continuación con más detalle haciendo referencia a las imágenes
anexas, en las que:
La imagen 1 representa un diagrama de bloques de
un sistema de motor eléctrico accionado electrónicamente por un
sistema de control;
La imagen 2 es una representación esquemática de
un puente inversor trifásico;
La imagen 3 es una tabla de accionamiento de un
puente inversor trifásico; y
La imagen 4 es un diagrama de flujo genérico de
un método para controlar y proteger motores eléctricos que incorpora
las enseñanzas de esta invención.
Haciendo referencia a las imágenes 1 y 2, un
sistema de motor eléctrico 1 es accionado electrónicamente por un
sistema de control 2 que comprende fundamentalmente un puente
rectificador 3, un filtro capacitivo 4, un puente inversor trifásico
5, un motor trifásico provisto de un rotor de imán permanente 10,
una unidad de control 11, detectores de posición SA, SB y SC, y un
detector de corriente de protección PI.
Como se conoce en el estado del arte, la unidad
de control 11 es responsable de la vigilancia de los detectores de
posición SA, SB y SC y del detector de corriente de protección PI
para excitar, a través de las diferentes salidas, los conmutadores
T1 a T6 del puente inversor trifásico 5 en un momento apropiado de
acuerdo con la tabla ilustrada en la imagen 3.
De este modo, como respuesta al mando de la
unidad de control 11, el puente inversor trifásico 5 también
aplicará una corriente a los devanados del motor 10 en el momento
correcto.
Como ya se ha mencionado, en el caso de que haya
un fallo en los detectores de posición SA, SB, SC es posible que uno
o más conmutadores T1 a T6 del punte inversor trifásico 5 no se
accionen apropiadamente, lo que puede generar altas corrientes que
no son detectadas por el detector de corriente de protección PI,
provocando la auto-desmagnetización del motor y
daños en los conmutadores T1 a T6 del puente inversor trifásico
5.
Según las enseñanzas de la presente invención, el
sistema de control 2 incluye también un microcontrolador (no
mostrado) capaz de analizar las posiciones del rotor en función del
tiempo, que colabora con un contador capaz de llevar a cabo pasos
sucesivos de medición de tiempo. Como se conoce en el arte, un
contador como ese puede ser un componente interno del susodicho
microcontrolador.
El susodicho contador se pone a cero cada vez que
haya un cambio en la posición del rotor del motor eléctrico 10, se
empieza la medición de un primer periodo de tiempo, durante el cual
el rotor debería estar entre una posición y otra. Más tarde, se
empieza la medición de un segundo periodo de tiempo, durante el cual
el rotor debería pasar por la próxima posición.
En un motor trifásico con dos polos hay tres
posiciones básicas del rotor P1 a P6 como se muestra en la imagen 3,
las cuales deberían ser alcanzadas sucesivamente por el rotor
durante un respectivo segundo periodo de tiempo.
Si el rotor pasa por una de las posiciones
durante el susodicho primer periodo de tiempo, lo que sería
demasiado pronto, o después de que haya transcurrido el susodicho
segundo periodo de tiempo, lo que sería demasiado tarde, significa
que ha habido algún error, y entonces el susodicho microcontrolador
apaga el sistema de control 2 para evitar daños mayores, preservando
de este modo la integridad del imán del rotor y los conmutadores del
puente inversor trifásico.
Si el rotor pasa por la posición correcta durante
el susodicho segundo periodo de tiempo, el microcontrolador
entregará una señal de salida de actualización y reinicializará el
contador, preparando al mismo para contar los primer y segundo
periodos de tiempo correspondientes a la próxima posición por la que
el rotor debería pasar.
Por supuesto, si el rotor, durante el susodicho
segundo periodo de tiempo, pasa por una posición que no es la
correcta, también significa que ha habido algún error, y entonces el
susodicho microcontrolador apaga el sistema de control 2 por medio
de una señal de error.
La imagen 4 representa un diagrama de flujo
genérico de un método para controlar y proteger motores eléctricos
para ilustrar la presente invención.
Como puede observarse a partir de este diagrama
de flujo, después de haber arrancado el rotor, el sistema realizará
el paso de leer el detector de posición y será apagado si el tiempo
pasado en la misma posición (también denominado como segundo periodo
de tiempo) es mayor que el tiempo máximo esperado, siendo repetido
continuamente el susodicho paso de leer el detector de posición
hasta que se detecta un cambio en la posición del rotor, siempre que
el tiempo pasado en esta posición no sea mayor que el tiempo máximo
esperado.
El próximo paso, después de que el sistema ha
detectado que la posición del rotor ha cambiado, es evaluar si el
rotor ha alcanzado una posición correcta, si no, el sistema será
pagado, y alternativamente si el rotor está en la posición correcta,
entonces el sistema accionará la siguiente fase del motor.
Después de este paso, el sistema calculará si se
ha alcanzado una vuelta completa del rotor y, si resulta ser el
caso, el sistema leerá la velocidad del rotor y calculará un nuevo
valor para los tiempos mínimo y máximo, durante los cuales debería
tener lugar un cambio en la posición del rotor. El contador será
reinicializado después de esto.
Si el rotor no ha alcanzado una vuelta completa,
entonces el sistema leerá el detector de posición y apagará el
sistema de control si la posición del rotor se ha cambiado; si la
posición del rotor no ha cambiado, el sistema medirá si el tiempo
pasado en la misma posición es menor que el tiempo mínimo esperado
(también denominado como primer periodo de tiempo), si es el caso,
el sistema repetirá continuamente el leer el detector de posición
hasta que el tiempo pasado en la posición sea mayor que el tiempo
mínimo esperado, o se detecte un cambio de posición del rotor. Si el
tiempo pasado en la misma posición es mayor que el tiempo mínimo
esperado, entonces el sistema volverá al paso de leer el detector de
posición para vigilar si el rotor no ha pasado un tiempo en esta
posición durante un periodo de tiempo mayor que el tiempo máximo
esperado (segundo periodo de tiempo).
Según las enseñanzas específicas de esta
invención, el susodicho segundo periodo de tiempo debería incluir
una tolerancia para el momento en el que el rotor pasa por una
posición dada. Como ejemplo, en un motor trifásico con dos polos
girando a 3000 rpm, el rotor necesita 20 ms para completar una
vuelta, y de este modo consumirá 3.3 ms para pasar por cada
posición.
Para encontrar la susodicha tolerancia, el
susodicho segundo periodo de tiempo medido por el contador debería
incluir un primer intervalo de cabeza de 1.65 ms (x/2) y un segundo
intervalo de cola de 6.6 ms (2x) más allá del habitual 3.3 ms, lo
que representa una tolerancia de x-50% y x+100%.
Después de haber descrito un ejemplo preferido de
realización, debería entenderse que el alcance de la presente
invención engloba otras posibles variaciones, estando limitado
solamente por los contenidos de las reivindicaciones adjuntadas que
incluyen los equivalentes posibles.
Claims (8)
1. Un método para controlar y proteger motores
eléctricos (10) provistos de un rotor, especialmente motores de imán
permanente accionados electrónicamente por un sistema de control
(2), comprendiendo el motor eléctrico (10) polos, comprendiendo el
sistema de control (2) un detector de posición que detecta las
posiciones de conmutación del rotor con respecto a los polos del
motor, estando caracterizado el método por comprender los
pasos de:
- -
- Repetir continuamente el paso de leer el detector de posición, hasta que un tiempo mínimo esperado haya pasado y apagar el sistema de control (2) si es detectado un cambio de posición del rotor por el detector de posición, empezando a ser contado el tiempo mínimo esperado cuando hay un cambio de posición del rotor del motor,
- -
- después de que haya pasado el tiempo mínimo esperado, repetir continuamente el paso de leer el detector de posición, hasta que se detecta un cambio de posición del rotor y apagar el sistema de control (2) si ha pasado un tiempo máximo esperado, siendo posteriormente contado el tiempo máximo esperado después de que haya pasado el tiempo mínimo esperado,
- -
- si se detecta un cambio de posición dentro del tiempo máximo esperado, medir la posición del rotor y accionar la siguiente fase del motor si la posición alcanzada por el rotor es una posición correcta previamente predicha, o apagar el sistema si la posición alcanzada por el rotor no es la posición correcta previamente predicha;
- -
- medir la posición del rotor para detectar si se ha alcanzado una vuelta completa, y
- \bullet
- si se ha completado una vuelta del rotor, leer la velocidad de rotación del rotor y calcular un valor corregido de los tiempos esperados máximo y mínimo y después repetir los pasos desde el paso de repetir continuamente el paso de leer el detector de posición hasta que un tiempo mínimo esperado haya pasado, o
- \bullet
- si no se ha completado una vuelta completa del rotor, repetir los pasos desde el paso de repetir continuamente el paso de leer el detector de posición hasta que un tiempo mínimo esperado haya pasado.
2. El método según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que comprende además los pasos
de entregar una señal de error si antes de que haya pasado el tiempo
mínimo esperado, es detectado un cambio de posición del rotor por el
detector de posición y si después de que haya pasado el tiempo
máximo esperado no ha sido detectado ningún cambio por el detector
de posición.
3. El método según la reivindicación 2,
caracterizado por el hecho de que el tiempo máximo esperado
presenta una tolerancia de un primer intervalo de cabeza de la mitad
de su valor y un segundo intervalo de cola de dos veces su
valor.
4. El método según la reivindicación 2,
caracterizado por el hecho de que se entrega una señal de
error si el susodicho rotor alcanza una posición que no es la
posición correcta previamente predicha.
5. El método según la reivindicación 2 o 4,
caracterizado por el hecho de que el sistema de control (2)
es apagado por medio de la señal de error.
6. Un sistema de control (2) para un motor
eléctrico (10), especialmente un motor de imán permanente,
comprendiendo el motor polos y un rotor, comprendiendo el sistema de
control (2) un puente inversor trifásico (5) y un detector de
posición apropiado para detectar las posiciones de conmutación del
rotor con respecto a los polos del motor, estando el sistema de
control (2) caracterizado por el hecho de que
comprende un microcontrolador que colabora con el
detector de posición y además colabora con un contador,
el sistema de control (2) está dispuesto para
repetir continuamente el paso de leer el detector de posición hasta
que un tiempo mínimo esperado haya pasado, siendo contado el tiempo
mínimo esperado por medio del contador, empezando a ser contado el
tiempo mínimo esperado cuando hay un cambio de posición del rotor
del motor, y siendo apagado el sistema de control (2) si es
detectado un cambio de posición del rotor por el detector de
posición dentro del tiempo mínimo esperado,
el sistema de control (2) está dispuesto para
repetir continuamente el paso de leer el detector de posición hasta
que se haya detectado un cambio de posición del rotor y apaga el
sistema de control (2) si ha pasado un tiempo máximo esperado,
siendo contado el tiempo máximo esperado por medio del contador y
posteriormente contado después de que el tiempo mínimo esperado haya
pasado,
el sistema de control (2) está dispuesto para
comparar los cambios de posición del rotor con una posición correcta
previamente predicha, y el sistema de control (2) es apagado si la
posición alcanzada por el rotor no es una posición correcta
previamente predicha, y
el sistema de control (2) está dispuesto para
vigilar la posición del rotor para leer la velocidad de rotación del
rotor y calcula un valor corregido de los tiempos esperados máximo y
mínimo después de que se haya completado una vuelta completa del
rotor.
7. El sistema de control según la reivindicación
6, caracterizado por el hecho de que el microcontrolador
entrega una señal de salida de actualización para reinicializar el
contador después de que el rotor haya pasado por una posición
predicha correcta.
8. El sistema de control según la reivindicación
7, caracterizado por el hecho de que el microcontrolador
entrega una señal de error para apagar el sistema de control
(2).
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