ES2329385T3 - Dispositivo para la regulacion de la carrera de armadura en un accionamiento lineal reversible. - Google Patents

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ES2329385T3 ES05708074T ES05708074T ES2329385T3 ES 2329385 T3 ES2329385 T3 ES 2329385T3 ES 05708074 T ES05708074 T ES 05708074T ES 05708074 T ES05708074 T ES 05708074T ES 2329385 T3 ES2329385 T3 ES 2329385T3
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Abstract

Dispositivo para la regulación de la carrera de la armadura (H) en un accionamiento lineal reversible (2), que contiene al menos un arrollamiento de excitación (4) a someter a una corriente de arrollamiento de excitación y una armadura magnética (8) que se debe impeler por un campo magnético del arrollamiento de excitación (4) a un movimiento lineal, oscilante en una dirección axial con la carrera predefinida de armadura (H), con medios para la detección de la posición actual de la armadura (x), con medios para la medición de la corriente actual de arrollamiento de excitación (I real) y con medios para el ajuste de la corriente de arrollamiento de excitación (I teórica), de tal manera que en un estado estabilizado de la armadura (8) durante cada semionda del movimiento de la armadura se suministra a la armadura (8) eléctricamente exactamente tanta energía, que las amplitudes de vibración (+L1, -L2) de la carrera de armadura predefinida (H) se alcanzan de manera ajustada, caracterizado por que para cada semionda del movimiento de la armadura se determina la energía suministrada a la armadura (8), por que para cada semionda del movimiento de la armadura respectivamente está establecido un valor umbral de energía de la armadura (Es,exp, Es,comp) y por que para cada semionda del movimiento de la armadura se interrumpe la corriente de arrollamiento de excitación en cuanto la energía suministrada a la armadura (8) alcance el valor umbral de energía de armadura (Es,exp, Es,comp) correspondiente.

Description

Dispositivo para la regulación de la carrera de armadura en un accionamiento lineal reversible.
La invención se refiere a un dispositivo para la regulación de la carrera de armadura en un accionamiento lineal reversible, que contiene al menos un arrollamiento de excitación a someter a una corriente de arrollamiento de excitación y una armadura magnética, que se tiene que impeler por un campo magnético del arrollamiento de excitación hasta un movimiento lineal, oscilante en una dirección axial con la carrera de armadura predefinida. Se obtiene un accionamiento lineal correspondiente a partir del documento JP 2002-031054 A.
Los accionamientos lineales correspondientes se utilizan particularmente para impeler émbolos de bomba de compresores en un movimiento o vibración lineal, oscilante. El sistema de un compresor de este tipo con accionamiento lineal asignado se denomina por este motivo también compresor lineal (véase el documento JP-A que se ha mencionado al principio). En compresores lineales correspondientes conocidos, la armadura con capacidad de vibración, en un caso dado, suspendida por al menos un elemento elástico, forma un sistema muelle-masa, que se diseña para una determinada frecuencia de vibración con la curva característica de fuerza-recorrido dada del compresor.
Se conocen diversos métodos para una regulación de la posición de la armadura o para una regulación de la carrera de la armadura en un compresor lineal correspondiente. Sin embargo, en los métodos conocidos se prescinde por regla general para una regulación de la carrera de la armadura de una medición de posición de la armadura directa, continua.
Hasta ahora, para una detección de la posición de la armadura actual, la misma se identifica de forma no continua, por ejemplo, de forma discontinua por el cierre de un contacto eléctrico, cuando la armadura ha alcanzado una determinada posición. También se conoce una medición de posición continua, por ejemplo, por la tensión inducida en el arrollamiento de excitación. El documento US 5980211 propone el uso de un sensor de posición.
Es objetivo de la presente invención configurar el dispositivo de regulación con las características que se han mencionado al principio de tal manera que se posibilite un ajuste exacto de la carrera de la armadura.
Este objetivo se resuelve con las medidas indicadas en la reivindicación 1. Por consiguiente, el dispositivo de regulación debe presentar
-
medios para la detección de la posición actual de la armadura,
-
medios para la medición de la corriente actual de arrollamiento de excitación y
-
medios para el ajuste de la corriente de arrollamiento de excitación de tal manera, que en el estado estabilizado de la armadura durante cada semionda del movimiento de la armadura se suministra a la armadura de forma eléctrica exactamente tanta energía, que se alcanzan de manera ajustada las amplitudes de vibración de la carrera de la armadura predefinida.
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En las medidas de acuerdo con la invención se parte de la consideración de que para la consecución de una carrera de armadura deseada, que se compone de las dos amplitudes de vibración, se tiene que suministrar a la armadura de forma eléctrica una cierta cantidad de energía por semionda, y, de hecho, durante una semionda de expansión para la pre-tensión del al menos un elemento elástico posiblemente presente y durante una semionda de compresión, para la realización de trabajo mecánico en la armadura y una parte de compresor móvil, posiblemente unida con la misma. Incluso en el estado estabilizado, las cantidades de energía necesarias para las semiondas de compresión y expansión por regla general son diferentes y no se conocen de antemano. En cambio, ambos valores tienen que estimarse de las amplitudes de vibración que se ajustan realmente.
La consideración básica del concepto de regulación de acuerdo con la invención consiste ahora en que una medición de posición de la armadura (prácticamente) continua no permite solamente la medición de la carrera de la armadura, es decir, de la desviación máxima, sino también una medición de la aportación de energía eléctrica a la armadura. Esto es posible, por que la aportación de energía eléctrica es proporcional a la integral de la corriente de bobina sobre la posición de la armadura. Por cada semionda se interrumpe la corriente de bobina en el momento en el que se ha aplicado eléctricamente suficiente energía a la armadura. Con cada inversión de dirección de la armadura se conecta de nuevo la corriente de bobina, donde el signo es de tal forma que coinciden la dirección de la fuerza electromagnética sobre la armadura y su dirección de movimiento. A esto siguen la medición de energía y posteriormente de nuevo la interrupción de la corriente.
Se puede determinar de forma adicional a las mediciones de lugar/posición por semionda en al menos una posición fija, una denominada posición de disparo, la velocidad y, de este modo, la energía cinética de la armadura. Se establece preferiblemente la posición de disparo en el intervalo de la velocidad máxima de la armadura. Para la medición de velocidad no se tiene que usar ningún sensor separado, sino se puede derivar por diferenciación de la medición de lugar prácticamente continua. Además de esto, a partir de la detección de velocidad es posible la determinación de la energía almacenada en la armadura.
Durante la semionda de expansión se pueden estimar parámetros de funcionamiento lineal como, por ejemplo, una constante elástica o la constante de transmisión corriente-fuerza a partir de las mediciones de lugar y velocidad en la al menos una posición de disparo, la medición de posición del punto muerto alejado de un compresor en el que termina la semionda de expansión y la medición de la energía aplicada eléctricamente en la armadura. Durante la semionda de compresión se pueden determinar a partir de las mediciones correspondientes parámetros de compresor como la energía mecánica consumida por ciclo en el compresor, la diferencia entre presión de descarga y de succión en el compresor y/o la curva característica de fuerza-recorrido del compresor.
Por consiguiente, con el concepto de regulación de acuerdo con la invención son posibles una activación segura de un compresor lineal así como un funcionamiento seguro en condiciones externas variables, es decir, con variaciones en la curva característica de compresor. En este caso se quiere decir con "seguro" que el émbolo del compresor en la fase de compresión no sobrepase y pueda chocar con una placa de émbolo o placa de válvula. Además, con el concepto de regulación se puede regular muy precisamente el denominado volumen muerto del espacio de compresión del compresor lineal unido; esto es un requisito básico para un rendimiento total elevado, a modo de ejemplo, una potencia frigorífica, del compresor lineal.
Se obtienen configuraciones ventajosas adicionales del equipo de regulación de acuerdo con la invención a partir de reivindicaciones dependientes. En este caso, se puede combinar la realización de acuerdo con la reivindicación 1 con las características de una de las reivindicaciones dependientes o preferiblemente también con las de varias reivindicaciones dependientes. Por consiguiente, para el dispositivo de regulación se pueden prever adicionalmente aún las siguientes características:
-
De este modo, los medios de ajuste de corriente como miembro de ajuste de la regulación de corriente pueden comprender un circuito rectificador y una conexión en puente secundaria con miembros de puente ajustables en una denominada disposición en H. Como miembros de puente ajustables se pueden proporcionar preferiblemente MOSFET.
-
Ventajosamente, la corriente de arrollamiento de excitación medida se debe suministrar como magnitud de entrada de corriente real a un componente de regulador de corriente asignado a los miembros de puente, que sincroniza los miembros de puente de tal manera que la señal de corriente real se adapta a una señal de corriente teórica correlacionada con la posición actual de la armadura, generada por un componente de regulador de posición, preferiblemente sigue a la misma. En un caso dado, se debe suministrar al componente de regulador de posición también la señal de corriente real.
-
En lugar de la determinación que se ha mencionado anteriormente de velocidad y energía de la armadura con ayuda de al menos una posición de disparo fija, pueden estar provistos de forma particularmente ventajosa también medios para una detección continua de la velocidad de la armadura (8). Con la ayuda de medios correspondientes se puede derivar de la detección de velocidad la energía almacenada en la armadura.
-
Además, se pueden proporcionar también medios para una regulación de la frecuencia de vibración de la armadura. Estos medios pueden aprovechar las señales de la medición de posición y, en un caso dado, de velocidad.
Se obtienen configuraciones ventajosas adicionales del equipo de regulación de acuerdo con la invención a partir de las reivindicaciones dependientes que anteriormente no se han mencionado.
La invención se explicará con más detalle a continuación mediante ejemplos de realización preferidos con referencia al dibujo. De sus figuras muestran
La Figura 1, de forma muy esquematizada en el corte transversal una parte por un accionamiento lineal conocido como tal,
Su Figura 2, un esquema modular de una primera realización de un dispositivo de regulación de acuerdo con la invención
y
Su Figura 3, un esquema modular de una realización adicional de un dispositivo de regulación de este tipo.
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En las figuras, las partes correspondientes están provistas respectivamente de las mismas referencias.
En el accionamiento lineal indicado en la Figura 1 se parte de realizaciones conocidas como tales, como se proporcionan para compresores lineales (véase el documento JP-A que se ha mencionado al principio). La figura muestra esquemáticamente de forma esencial sólo la parte superior de un corte transversal por un accionamiento lineal 2 de este tipo; es decir, en la figura solamente se representan detalles, que se sitúan en un lado de un eje o plano de simetría S, que se extiende en una dirección de movimiento axial. El accionamiento lineal 2 comprende al menos un arrollamiento de excitación 4, al que está asignado al menos un cuerpo de culata 5 conductor de flujo magnético. En una abertura central 7 a modo de canal o a modo de ranura de este cuerpo de culata se sitúa una armadura o parte de armadura magnética con, a modo de ejemplo, dos imanes permanentes cuya dirección de magnetización se indica por líneas con flechas m1 y m2. La armadura también denominada "carro de la armadura" presenta de forma axial partes de prolongación laterales, no descritas con más detalle. En el campo magnético alterno del arrollamiento 4 puede realizar en dirección axial un movimiento oscilante, en el que vibra alrededor de una posición central Mp. La desviación máxima desde la posición central en dirección axial x, es decir, la amplitud de vibración, se denomina +L_{1} o -L_{2}. Por consiguiente, la carrera de la armadura H es (L_{1} + L_{2}).
Como se indica además en la figura, en un caso dado, pueden actuar dos muelles de ballesta 9 y 9' sujetos de forma localmente fija en ambos lados de la posición central Mp en partes prolongadas de la armadura 8 con sus puntos de agarre vibratorios A o A'. Por supuesto, también son posibles realizaciones de un accionamiento lineal sin muelles. Además, ventajosamente en al menos un lado de la parte de prolongación de la armadura 8, la misma puede estar unida rígidamente con un compresor V no representado en la figura con más detalle o su émbolo de bomba.
En la realización representada en la figura se partió además de que el accionamiento lineal 2 se estructura de forma simétrica con respecto al plano S, es decir, que a ambos lados del plano se sitúan cuerpos de culata y, en un caso dado, también partes de arrollamiento de excitación. Por supuesto, también se puede proporcionar para un dispositivo de regulación de acuerdo con la invención un accionamiento lineal, que posea solamente en un lado un arrollamiento de excitación y, en un caso dado, en el lado opuesto solamente un cuerpo de culata conductor de flujo magnético (compárese, por ejemplo, con el documento US 6 323 568 B1). Además de la forma en E representada del cuerpo de culata también son adecuados otros tipos de cuerpo de culata como, por ejemplo, con forma de M.
En una unión de la armadura 8 del accionamiento lineal 2 con un émbolo de bomba de un compresor V, el valor umbral de energía de la armadura E_{s} para la semionda de expansión y de compresión en general es diferente; es decir, realmente se tienen que diferenciar dos valores umbral de energía de la armadura, concretamente E_{s,exp} y E_{s,comp}. Estos dos valores umbral de energía de la armadura se modifican con el tiempo debido a las modificaciones en el tiempo de la curva característica de fuerza-recorrido del compresor, donde las modificaciones son lentas en comparación con la duración de periodo de vibración del accionamiento lineal. Debido a esto, una adaptación superpuesta a la regulación de carrera real de ambos valores es razonable y posible.
Un dispositivo de regulación, con el que se ajusta la corriente en el arrollamiento de excitación 4, sirve para la regulación de la carrera de la armadura H o de las amplitudes de vibración +L_{1} y -L_{2}. Se obtiene el esquema modular de una primera realización de un dispositivo de regulación de este tipo a partir de la Figura 2. En la figura se indica
-
con G, un circuito rectificador, por ejemplo, en forma de una conexión en puente,
-
con C un condensador de aplanamiento,
-
con B, un circuito convertidor en forma de un denominado puente integral,
-
con b1 a b4, los cuatro miembros de puente de este circuito convertidor en una denominada disposición en H,
-
con 10, un componente de regulador de posición
y
-
con 11, un componente de regulador de corriente.
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Como miembros de puente b1 a b4 se consideran particularmente MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) con diodos de protección d_{i}. Sus electrodos de control o compuertas de control se denominan g1 a g4. Están unidos con las salidas correspondientes del componente de regulador de corriente 11. En los puntos de toma de puente 12a y 12b de la conexión en puente B se toma la corriente de excitación para el arrollamiento de excitación del accionamiento lineal 2. En este caso, se realiza una determinación de una corriente real del arrollamiento denominado I_{real} por medición de la caída de tensión por
-
un resistor derivador conectado en serie con el arrollamiento en el circuito de puente, o
-
dos resistores derivadores, que se situan entre los miembros de puente b_{2} y b_{4} y la masa.
\vskip1.000000\baselineskip
La magnitud de medición de esta corriente se suministra después al regulador de corriente 11 en un punto de empalme 13 en la línea de suministro de corriente del arrollamiento de excitación. En el caso del regulador de corriente 11 se puede tratar, a modo de ejemplo, de un componente de PMW (Pulse Width Modulation) conocido. Alternativamente, también se puede usar como regulador de corriente un regulador de dos posiciones conocido como tal con frecuencia de ciclo fija de, por ejemplo, 20 kHz.
En el accionamiento lineal 2 está colocado un equipo de medición 14 conocido como tal, que no se explica con más detalle, con el que se puede detectar la posición x actual exacta y la dirección de movimiento de la armadura 8 del aparato. Su valor de medición x se suministra al componente de regulador de posición 10, que calcula a partir de la posición x y magnitudes derivadas de la misma, como particularmente la velocidad de la armadura, una corriente teórica I_{teórica} y suministra la misma al componente de regulador de corriente 11. El componente de regulador de corriente se encarga entonces de que, mediante el control de las compuertas de control g1 a g4, se de una buena coincidencia entre la corriente teórica I_{teórica} y la corriente real I_{real}.
El esquema modular representado en la Figura 3 de un dispositivo de regulación de acuerdo con una invención adicional se diferencia del de la Figura 2 solamente por que en este caso, la corriente medida I_{real} también es magnitud de entrada para el componente de regulador de posición 10' modificado con respecto a la Figura 2. En esta realización se pueden presentar desviaciones más obvias entre la corriente teórica I_{teórica} y la corriente I_{real}; sin embargo, el componente de regulador de corriente 11 también es capaz en este caso de interrumpir por ajustes correspondientes la corriente de la manera deseada.
A continuación se indica el algoritmo para una regulación de posición en los dispositivos según los esquemas modulares de acuerdo con las Figuras 2 y 3:
-
La fuerza electromagnética F que actúa sobre la armadura 8 siempre es proporcional a la corriente de bobina real I_{real}; es decir
F = K\cdotI_{real}, donde F, k e I_{real} dependen de la posición x.
-
Con la modificación de la dirección de movimiento de la armadura se invierte la corriente de bobina, de manera que después, la fuerza electromagnética F = K\cdotI_{real} actúa en la dirección de movimiento x.
-
Se determinan la energía potencial y la cinética de la armadura a partir de la medición de posición y velocidad momentánea de forma continua o con la ayuda de al menos una señal de disparo particular que, por ejemplo, se asigna al punto de anulación del movimiento de la armadura y ventajosamente se sitúa en proximidad de la posición de la armadura con la energía cinética máxima.
-
La energía suministrada por semionda de vibración a la armadura se calcula por la ecuación
\int F(x)dx = \int K(x)/(x)dx.
-
Si la energía de la armadura alcanza un valor umbral E_{s,comp} o E_{s,exp}, que se corresponde con la amplitud de vibración deseada +L_{1} o -L_{2}, se interrumpe la corriente I.
Además de este algoritmo básico también se puede concebir un algoritmo de adaptación superpuesto, en el que se adapta por comparación de la amplitud de vibración medida +L_{1} o -L_{2} con la amplitud teórica correspondiente el valor umbral de energía de la armadura E_{s,comp} o E_{s,exp}.
El concepto de regulación realizado en los esquemas modulares presenta, por tanto, los siguientes elementos principales:
1.
Magnitudes de medición:
\quad
Posición x, dirección de movimiento y, derivado de la misma, la velocidad de la armadura 8; corriente I_{real}.
2.
Magnitud de ajuste:
\quad
Corriente de bobina de excitación. En este caso se pueden concebir varias variantes de miembro de ajuste, donde la corriente real y teórica pueden variar entre sí con diferente intensidad dependiendo del miembro de ajuste.
3.
Principio de regulación:
\quad
Se conmuta la corriente de arrollamiento de excitación de tal manera que la fuerza electromagnética actúa (casi) siempre en la dirección de movimiento de la armadura; medición de la energía aplicada eléctricamente a la armadura por semionda de vibración; interrupción de corriente, cuando se alcanza el valor umbral de energía.
Ventajas de este principio de regulación
Se evita considerablemente un frenado eléctrico de la armadura; esto da como resultado un buen rendimiento.
La frecuencia de la vibración de la armadura está establecida considerablemente por la masa movida así como la constante elástica de muelle(s) posiblemente presente(s) y la curva característica de fuerza-recorrido del compresor unido, pero se puede modificar por selección del coeficiente de utilización mediante regulación de corriente: si después de una inversión de movimiento actúa una corriente mayor sobre un recorrido más corto, aumenta -con una aportación de energía eléctrica constante por semionda de vibración- la frecuencia de vibración.
Lista de referencias
2
accionamiento lineal
4
arrollamiento de excitación
5
cuerpo de culata
7
hendidura
8
armadura
9, 9'
elementos elásticos
10, 10'
componente de regulador de posición
11
componente de regulador de corriente
12a, 12b
puntos de toma de puente
13
punto de empalme
S
plano de simetría
m1, m2
direcciones de magnetización
A, A'
puntos de actuación de muelle
H
carrera de armadura
x
posición axial
+L_{1}, -L_{2}
amplitudes de vibración
V
compresor
Mp
posición central
G
circuito rectificador
C
condensador de aplanamiento
B
conexión en puente
B1 a b4
miembros de puente MOSFET
g1 a g4
compuertas de control
d_{i}
diodos de protección
I_{real}
corriente real
I_{teórica}
corriente teórica

Claims (13)

1. Dispositivo para la regulación de la carrera de la armadura (H) en un accionamiento lineal reversible (2), que contiene al menos un arrollamiento de excitación (4) a someter a una corriente de arrollamiento de excitación y una armadura magnética (8) que se debe impeler por un campo magnético del arrollamiento de excitación (4) a un movimiento lineal, oscilante en una dirección axial con la carrera predefinida de armadura (H), con medios para la detección de la posición actual de la armadura (x), con medios para la medición de la corriente actual de arrollamiento de excitación (I_{real}) y con medios para el ajuste de la corriente de arrollamiento de excitación (I_{teórica}), de tal manera que en un estado estabilizado de la armadura (8) durante cada semionda del movimiento de la armadura se suministra a la armadura (8) eléctricamente exactamente tanta energía, que las amplitudes de vibración (+L_{1}, -L_{2}) de la carrera de armadura predefinida (H) se alcanzan de manera ajustada, caracterizado por que para cada semionda del movimiento de la armadura se determina la energía suministrada a la armadura (8), por que para cada semionda del movimiento de la armadura respectivamente está establecido un valor umbral de energía de la armadura (E_{s,exp}, E_{s,comp}) y por que para cada semionda del movimiento de la armadura se interrumpe la corriente de arrollamiento de excitación en cuanto la energía suministrada a la armadura (8) alcance el valor umbral de energía de armadura (E_{s,exp}, E_{s,comp}) correspondiente.
2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la armadura (8) se sujeta con capacidad de vibración por al menos un elemento elástico (9, 9').
3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que los medios de ajuste de corriente como miembro de ajuste de la regulación de corriente comprenden un circuito rectificador (G) y una conexión en puente secundaria (B) con miembros de puente ajustables (b1 a b4) en disposición en H.
4. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado por que los miembros de puente ajustables (b1 a b4) son MOSFET.
5. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 3 ó 4, caracterizado por que la corriente de arrollamiento de excitación medida se tiene que suministrar como una magnitud de entrada de corriente real (I_{real}) a un componente de regulador de corriente (11) asignado a los miembros de puente (b1 a b4), que sincroniza los miembros de puente de tal manera, que la señal de corriente real (I_{real}) se ajusta a una señal de corriente teórica (I_{teórica}) correlacionada con la posición actual de la armadura (x), generada por un componente de regulador de posición (10, 10'), preferiblemente sigue a la misma.
6. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado por que al componente de regulador de posición (10') se tiene que suministrar también la señal de corriente real (I_{real}).
7. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que se proporcionan medios para una detección de la dirección de movimiento de la armadura (8).
8. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que se proporcionan medios para una detección continua de la velocidad de la armadura (8).
9. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que en al menos un punto fijo dentro del recorrido de la carrera de la armadura se proporciona una posición de disparo para una medición de velocidad.
10. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado por que la posición de disparo se proporciona en la zona de la velocidad máxima de la armadura (8).
11. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 8, 9 ó 10, caracterizado por que se proporcionan medios para una evacuación de la energía almacenada en la armadura (8) de la detección de velocidad.
12. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que se proporcionan medios para una regulación de la frecuencia de vibración de la armadura (8).
13. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la armadura (8) está unida de forma rígida con un émbolo de bomba de un compresor (V).
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