ES2365886T3 - Método y dispositivo para medir la potencia eléctrica de un motor eléctrico universal alimentado por tensión alterna sinusoidal. - Google Patents

Abstract

Un método de medición de la potencia eléctrica de un motor eléctrico universal (4) conectado a una red de alimentación de potencia eléctrica (6) por medio de conmutación (7); suministrando dicha red de alimentación de potencia eléctrica (6) una tensión alterna V(t)) sustancialmente sinusoidal a dicho motor (4); en cada semi-periodo de dicha tensión (V(t)), dichos medios de conmutación (7) son conectados en un primer instante (ton) y son desconectados en un segundo instante (toff), que se establecen como una función de la corriente (I(t)) a suministrar a dicho motor (4) para controlar la velocidad del motor universal regulando su suministro de corriente; y dicho método se caracteriza porque comprende las etapas de: - muestrear la corriente (I(t)) suministrada a dicho motor (4), al menos un tercer instante (tin) entre dicho primero y dicho segundo instante, para determinar un valor correspondiente de la corriente muestreada (Ic); - estimar un patrón de tiempo de la corriente de ajuste (f(t)) que tiene un valor cero de la corriente en dicho primero (ton) y dicho segundo (toff) instante, y un valor de la corriente (I(tin)) igual a dicho valor muestreado de la corriente (Ic) en dicho al menos tercer instante (tin); - calcular dicha potencia eléctrica media (Pe) sobre la base de dicho patrón de tiempo de la corriente de ajuste muestreada (f(t)).

Description

La presente invención se refiere a un método y a un dispositivo eléctrico para medir la potencia eléctrica de un motor eléctrico universal alimentado por tensión alterna sinusoidal.

Para reducir costes, algunos aparatos electrodomésticos, tales como lavadoras, están equipados por los fabricantes con los llamados motores eléctricos “universales”, que tienen la gran ventaja de ser alimentados con corriente alterna por circuitos de potencia de bajo coste particularmente sencillos, que emplean Triacs, proporcionando al mismo tiempo un rendimiento similar que los motores eléctricos de corriente continua, es decir, par de arranque alto, compacidad, alta velocidad de rotación, etc.

Debería indicarse que el término “motor universal” se utiliza aquí para indicar un motor de estator arrollado con alambre que puede funcionar tanto con corriente continua como también con corriente alterna. El funcionamiento del motor con corriente alterna se hace posible por el hecho de que gracias al circuito de potencia, las corrientes eléctricas en el estator y el rotor del motor se invierten simultáneamente, y los campos magnéticos relativos funcionan de la misma manera, generando el mismo tipo de fuerza de atracción o de repulsión.

Como se conoce, ciertos parámetros de funcionamiento del aparato deben medirse para permitir el funcionamiento de un control electrónico directo del aparato. Más específicamente, las últimas lavadoras comprenden normalmente un dispositivo de control que controla el motor eléctrico regulando su velocidad instante por instante para contrarrestar, por ejemplo, cualquier desequilibrio causado por la colada en el tambor de colada durante el ciclo de rotación, y para reducir el movimiento ambulante y/o el nivel de ruido del aparato.

El procesamiento por el dispositivo de control se basa sustancialmente en determinan cantidades mecánica, tales como la velocidad y el par del motor. Más específicamente, la velocidad del motor se determina “directamente” por un sensor de velocidad montado en el árbol de accionamiento, mientras que el par mecánico se determina “indirectamente” procesando parámetros eléctricos, tales como la potencia eléctrica media del motor.

Para calcular la potencia eléctrica, los métodos empleados por las unidades de cálculo de muchos dispositivos de control comprenden sustancialmente un reconstrucción completa de los patrones de tiempo de suministro de corriente y de tensión al motor en cada periodo y, aunque determinan de manera realmente exacta la potencia eléctrica media, tienen el inconveniente de requerir particularmente unidades de alta capacidad de cálculo con capacidad de tasa de muestreo de alta frecuencia, que son complejos y costosos y de esta manera incrementan en gran medida el coste general de producción del aparato.

Un objeto de la presente invención es proporcionar un método de medición de la potencia eléctrica media de un motor universal por medio de un número pequeño de operaciones, y que se puede implementar, por lo tanto, por unidades de cálculo sencillas, de bajo coste.

El documento EP 1 597 995 describe un microprocesador de un aparato de control de motor que adquiere una señal de detección del punto de anulación a partir de una sección de detección del punto de anulación y una corriente de carga desde una sección de detección de corriente en un periodo de muestreo prescrito. El procesador obtiene un valor instantáneo de la corriente de carga cada periodo de muestreo y un valor funcional sinusoidal correspondiente a partir de una tabla de valores funcionales sinusoidales para calcular un valor de compensación para el valor instantáneo de la corriente de carga. El procesador calcula también un valor total de compensación de la corriente de carga añadiendo el valor de compensación un número predeterminado de veces de muestreo y compara el valor total de compensación de la corriente de carga con un valor de referencia de la corriente de carga para obtener una diferencia entre ellos. En respuesta a la diferencia, un valor de instrucción para la demora de tiempo que determina el tiempo de salida de una señal de disparo a un elemento de conmutación se cambia para que el consumo de potencia del motor caiga dentro de un rango prescrito.

El documento US 5.517.106 describe un método y un aparato para medir digitalmente parámetros de consumo de energía eléctrica desde una línea de transmisión que lleva corriente alterna. La corriente que fluye en el conductor es muestreada en tiempos múltiples que son independientes de la fase de corriente. Utilizando un microordenador adecuado, está corriente muestreada es filtrada analíticamente expresando la corriente con Series de Fourier utilizando solamente armónicos seleccionados, eliminando de esta manera aquellos armónicos que definen ruido. Entonces se calcula una aproximación de la potencia y del consumo de potencia multiplicando la corriente tal como se expresa en Series de Fourier y una medición desde el conductor para obtener una lectura de la potencia, y la lectura de la potencia se suma para obtener un valor numérico proporcional al consumo de energía. Los armónicos pares y los armónicos de alta frecuencia pueden ser eliminados en la expresión de Fourier de una derivada de corriente para simplificar adicionalmente los cálculos de ordenados y el hardware requerido, y la tasa magnética de la captación de cambio y la captación de tensión son filtradas con preferencia para eliminar ruido no deseado.

De acuerdo con la presente invención, se proporciona un método para determina la potencia eléctrica media de un motor eléctrico universal, como se reivindica en la reivindicación 1 y con preferencia, aunque no necesariamente, en una cualquiera de las reivindicaciones que dependen directa o indirectamente de la reivindicación 1.

De acuerdo con la presente invención, se proporciona también un dispositivo electrónico para determinar la potencia eléctrica de un motor eléctrico universal de un aparato electrodoméstico, como se reivindica en la reivindicación 7 y con preferencia, aunque no necesariamente, en una cualquiera de las reivindicaciones que dependen directa o indirectamente de la reivindicación 7.

De acuerdo con la presente invención, se proporciona también un aparato electrodoméstico, como se reivindica en la reivindicación 13.

De acuerdo con la presente invención, se proporciona también un producto de software, como se reivindica en la reivindicación 14.

Una forma de realización no limitativa de la presente invención se describirá a modo de ejemplo con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

La figura 1 muestra una vista parcialmente en sección en perspectiva, con partes retiradas para claridad, de un aparato electrodoméstico que comprende un motor eléctrico universal, y un dispositivo electrónico para determinar la potencia eléctrica del motor eléctrico y de acuerdo con las enseñanzas de la presente invención.

La figura 2 muestra de forma esquemática un circuito de control del aparato electrodoméstico de la figura 1.

La figura 3 muestra un patrón de tiempo ejemplar de corriente y de tensión alterna suministradas al motor eléctrico universal por el circuito de control.

La figura 4 muestra un diagrama de flujo de las operaciones realizadas por el dispositivo electrónico para calcular la potencia eléctrica del motor eléctrico universal en la figura 1.

El número 1 en la figura 1 indica, en conjunto, un aparato electrodoméstico, en particular una lavadora doméstica, que comprende sustancialmente una carcasa 2 configurada con preferencia, pero no necesariamente, en forma de paralelepípedo; y un tambor de colada 3 montado dentro de la carcasa 2 para girar libremente alrededor de un eje de rotación A, y que está dirigido indirectamente hacia una abertura de carga y descarga de la colada formada en una pared de la carcasa 2.

El aparato 1 comprende también un motor eléctrico universal 4 con su árbol de salida conectado al tambor de colada 3 por medio de un sistema de transmisión para girar alrededor del eje de rotación A; y un circuito de control 5 para controlar la velocidad del motor eléctrico universal 4 regulando su suministro de corriente.

Más específicamente, con referencia al ejemplo de la figura 2, el motor eléctrico universal 4 tiene un primero y un segundo terminal eléctrico 4a, 4b conectados a una red de alimentación de potencia 6 para recibir una tensión alterna sinusoidal V(t); y el circuito de control 5 comprende un diodo SCR bidireccional, tal como un Triac 7, para regular la corriente I(t) suministrada al motor eléctrico 4.

En el ejemplo de la figura 2, el Triac 7 comprende sustancialmente tres terminales, dos de los cuales, 7a y 7b, se definen por sus ánodos y están conectados, respectivamente, al segundo terminal 4b del motor y a una línea de la red e alimentación 6, y el tercero de los cuales, 7c, se define por una puerta, y es suministrado con una señal de control Scom para conectar el Triac de polarización 7. El funcionamiento del Triac 7 se conoce y, por lo tanto, no se describe en detalle.

El circuito de control 5 comprende también un dispositivo de detección de corriente 8, por ejemplo una derivación como se muestra en la figura 2, conectada entre el Triac 7 y una línea de la red de alimentación 6 para suministrar una señal de salida I(t) que indica el valor instantáneo de la corriente suministrada al motor 4; y un dispositivo de medición de la velocidad 9, por ejemplo una dinamo indicadora de la velocidad, localizada en el árbol de salida del motor 4 y que proporciona una señal de salida que indica la velocidad angular del motor eléctrico universal.

El circuito de control 5 comprende también un módulo de punto de anulación 10 que tiene un primer terminal de entrada conectado a la salida del dispositivo de detección de la corriente 8, con preferencia, aunque no necesariamente, a través de un amplificador de la señal de la corriente 11; y un terminal de salida que suministra una señal del punto de anulación Stcz que indica el instante, en el que la corriente alterna I(t) suministrada al motor 4 es cero I(t) = 0 (figura 3).

Con referencia a la figura 2, el circuito de control 5 comprende también una unidad de cálculo 12 para calcular la potencia del motor 4, y que comprende un terminal de entrada 12a conectado a las dos líneas de la red de alimentación 6, con preferencia, aunque no necesariamente, a través de un amplificador de tensión 13, para recibir la tensión V(t) suministrada al motor 4; un terminal de entrada 12b conectado a la salida del módulo del punto de anulación 10 para recibir la señal del punto de anulación Stzc; un terminal de entrada 12c conectado a la salida del amplificador de corriente 11 para recibir la señal I(t); y un terminal de salida 12d que suministra el valor medio Pe de la potencia eléctrica suministrada al motor 4.

El circuito de control 5 comprende también una unidad de control 15 para controlar el motor 4 y generar la señal de control Scom, que conecta el Triac 7 durante el control del motor eléctrico 4 de acuerdo con la velocidad requerida del motor 4.

La figura 4 muestra el método empleado por la unidad de cálculo 12 para determinar la potencia eléctrica media suministrada al motor 4.

Más específicamente, la medición se puede realizar durante cada semi-periodo T/2 de la tensión sinusoidal V(t), desde el instante ton (figura 3), en el que el Triac 7 es conectado, hasta el instante toff, en el que el Triac 7 es desconectado, cortando de esta manera el suministro de corriente al motor 4.

Lo primero de todo, el método proporciona tensión de muestreo V(t) (bloque 100) para determinar el valor punta VMax de la tensión suministrada al motor 4.

El método determina entonces el instante inicial ton, en el que la corriente pasa desde un valor cero hasta un valor diferente de cero (bloque 110). Más específicamente, el instante inicial ton puede corresponder al instante, en el que la unidad de control 15 que controla el motor 34 conecta el Triac 7, es decir, el instante en el que la corriente I(t) suministrada a los terminales 4a y 4b del motor 4 pasa desde un valor cero hasta un valor diferente de cero.

En este punto, por medio del dispositivo de detección de la corriente 8, el método muestrea un valor Ic de la corriente I(t) en un instante intermedio tin entre el instante inicial ton y el instante final toff.

Más específicamente, en el ejemplo de la figura 3, el instante intermedio tin corresponde al instante del punto de anulación (bloque 120), en el que la tensión V(t) adopta un valor cero, y la corriente I(t) adopta de una manera conveniente un valor Ic alrededor de su pico máximo Imax.

En este punto, el método determina, sobre el semi-periodo T/2, el instante final toff, en el que la corriente pasa desde un valor diferente de cero hasta un valor cero (bloque 130). El instante final toff se puede determinar cuando el Triac 7 está completamente desconectado, examinando, por ejemplo, la señal del punto de anulación Stzc suministrada por el módulo del punto de anulación 10.

En este punto (bloque 10), el método estima un patrón de tiempo de la corriente de ajuste f(t) que se aproxima al patrón de tiempo real de la corriente I(t) suministrada por el Triac 7 al motor 4 en el intervalo de tiempo entre el instante inicial ton y el instante final toff. El patrón de tiempo de la corriente de ajuste estimado tiene un valor cero de la corriente en el instante inicial ton y en el instante final toff, y un valor de la corriente igual al valor muestreado de la corriente IC en el instante intermedio tin.

En esta fase, el método estima, por lo tanto, una forma de la onda definida por el patrón de tiempo de la corriente de ajuste f(t) que indica el patrón de la corriente I(t) suministrada al motor 4, que tiene un valor cero en los instantes ton y toff, y el valor muestreado Ic en el instante intermedio tin.

Más específicamente, la función f(t) asociada con el patrón de tiempo de la corriente de ajuste puede corresponder de manera conveniente, por ejemplo, a una función cuadrática que tiene un patrón de tiempo parabólico a través de los tres puntos asociados con los valores de la corriente I(t) en los instantes ton, tin y toff.

Más específicamente, y por ejemplo, una vez que están determinados tres puntos asociados con el patrón de tiempo real de la corriente, es decir, P1(ton, I(t)=0), P2(tin, I(t)=Ic) y P3(toff, I(t)=0), se puede determinar una curva parabólica sencilla a través de los tres puntos.

En esta fase, por medio de una operación sencilla de muestreo de la corriente I(t) suministrada realmente al motor 4 en el instante intermedio tin, el método es capaz de determinar, por lo tanto, por ejemplo, una curva parabólica (mostrada por la línea de trazos en la figura 3) definida por la función f(t) que se aproxima al patrón de tiempo de la corriente I(t) suministrada realmente al motor 4.

En este punto, el método calcula la potencia eléctrica media e sobre la base de la tensión Vmax, la corriente muestreada Ic, ton, toff, tin, de acuerdo con una ecuación predeterminada Pe (VMax, Ic).

Debería indicarse que la ecuación predeterminada Pe(VMax, Ic) se puede obtener integrando la potencia eléctrica instantánea P(t) de acuerdo con la ecuación:

imagen1

en la que P(t) es la potencia eléctrica instantánea, y se obtiene multiplicando la corriente I(t) por la tensión V(t).

Debería indicarse que la potencia eléctrica media Pe se puede obtener ventajosamente mediante aproximación de V(t) con una función g(t) sustancialmente lineal que corresponde al patrón de su porción entre ton y toff. Por lo tanto, la potencia instantánea P(t) se puede determinar de acuerdo con la ecuación P(t)g(t) · f(t), y se obtiene la relación siguiente:

imagen1

Resolviendo la ecuación Pe(VMax, Ic) anterior y sobre la base del instante inicial ton, el instante final toff, el instante intermedio tin, el valor muestreado Ic y Vmax, es método es capaz de determinar la potencia media. Después de 10 determinar la forma de la onda definida por el patrón de tiempo de la corriente de ajuste f(t), es posible, por lo tanto, resolver la ecuación b) Pe(VMax, Ic) anterior y de esta manera obtener una fórmula sencilla para calcular la potencia eléctrica media Pe solamente como una función de un valor de la tensión Vmax, la corriente muestreada Ic, ton, toff y tin. Después de estimar la forma de la onda definida por el patrón de tiempo de la corriente de ajuste f(t), es posible, por lo tanto, determinar la fórmula para evaluar Pe(VMax, Ic) que, implementada por la unidad de cálculo 12,

15 proporciona la determinación de la potencia eléctrica media Pe solamente como una función de la tensión punta VMax, la corriente muestreada Ic, ton, toff y tin.

Para medir la potencia eléctrica media más exactamente, el número de operaciones de muestreo realizadas en el intervalo entre ton y toff puede ser evidentemente mayor que una, pero entonces menor que diez, para mantener limitado el número de operaciones implementadas por la unidad de cálculo 12.

20 Una vez determinada la potencia eléctrica media Pe, el método puede determinar de manera ventajosa, por medio de algoritmos conocidos no descritos en detalle, otros parámetros mecánicos del motor eléctrico, tales como potencia mecánica, par o inercia, y procesarlos para controlar, por ejemplo, el desequilibrio de la lavadora.

El dispositivo y el método descritos tienen la ventaja de ser extremadamente sencillos y, por lo tanto, económicos de implementar. Más específicamente, el método proporciona la determinación de la potencia eléctrica media por 25 medio de una aproximación de la corriente que implica solamente una operación de muestreo de la corriente suministrada al motor durante un semi-periodo, y determinando al mismo tiempo los dos instantes de corriente cero durante el semi-periodo. Por lo tanto, dada la velocidad de muestreo baja implicada, se pueden utilizar unidades de cálculo extremadamente sencillas de una potencia de cálculo sólo moderada y, por lo tanto, de bajo coste. Esto se hace posible también por aproximación lineal del patrón de tiempo de tensión alterna sobre el intervalo ton-toff

30 considerado, cuando se calcula directamente la potencia instantánea.

Claramente se pueden realizar cambios en el dispositivo, método, y aparato electrodoméstico 1 descritos aquí, sin apartarse, sin embargo, del alcance de la presente invención como se define en las reivindicaciones que se acompañan.

Claims (14)

1. REIVINDICACIONES

   1.- Un método de medición de la potencia eléctrica de un motor eléctrico universal (4) conectado a una red de alimentación de potencia eléctrica (6) por medio de conmutación (7); suministrando dicha red de alimentación de potencia eléctrica (6) una tensión alterna V(t)) sustancialmente sinusoidal a dicho motor (4); en cada semi-periodo de dicha tensión (V(t)), dichos medios de conmutación (7) son conectados en un primer instante (ton) y son desconectados en un segundo instante (toff), que se establecen como una función de la corriente (I(t)) a suministrar a dicho motor (4) para controlar la velocidad del motor universal regulando su suministro de corriente; y dicho método se caracteriza porque comprende las etapas de:

   -

   muestrear la corriente (I(t)) suministrada a dicho motor (4), al menos un tercer instante (tin) entre dicho primero y dicho segundo instante, para determinar un valor correspondiente de la corriente muestreada (Ic);

   -

   estimar un patrón de tiempo de la corriente de ajuste (f(t)) que tiene un valor cero de la corriente en dicho primero (ton) y dicho segundo (toff) instante, y un valor de la corriente (I(tin)) igual a dicho valor muestreado de la corriente (Ic) en dicho al menos tercer instante (tin);

   -

   calcular dicha potencia eléctrica media (Pe) sobre la base de dicho patrón de tiempo de la corriente de ajuste muestreada (f(t)).

2. 2.- Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho al menos tercer instante (tin) corresponde a un instante en el que dicha tensión (V(t)) tiene un valor cero.
3. 3.- Un método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2 y que comprende la etapa de medir el valor punta (VMax) de dicha tensión (V(t)).
4. 4.- Un método de acuerdo con la reivindicación 3, en el que dicha potencia eléctrica media (Pe) se calcula sobre la base de dicho patrón de tiempo de la corriente de ajuste (f(t)) y el valor punta (VMax) de dicha tensión (V(t)).
5. 5.- Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho patrón de tiempo de la corriente de ajuste (f(t)) corresponde a una función polinomial.
6. 6.- Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho dichos medios de conmutación (7) comprenden al menos un Triac.
7. 7.- Un dispositivo electrónico (12) para determinar la potencia eléctrica de un motor eléctrico universal (4) conectado a una red de alimentación de potencia eléctrica (6) por medios de conmutación (7); suministrando dicha red de alimentación de potencia eléctrica (6) una tensión alterna V(t)) sustancialmente sinusoidal a dicho motor (4); en cada semi-periodo de dicha tensión (V(t)), dichos medios de conmutación (7) son conectados en un primer instante (ton) y son desconectados en un segundo instante (toff), que se establecen como una función de la corriente (I(t)) a suministrar a dicho motor (4) para controlar la velocidad del motor universal regulando su suministro de corriente; y estando caracterizado dicho dispositivo electrónico por que comprende medios de cálculo adaptados para:

   -

   muestrear la corriente (I(t)) suministrada a dicho motor (4), al menos un tercer instante (tin) entre dicho primero y dicho segundo instante, para determinar un valor correspondiente de la corriente muestreada (Ic);

   -

   estimar un patrón de tiempo de la corriente de ajuste (f(t)) que tiene un valor cero de la corriente en dicho primero (ton) y dicho segundo (toff) instante, y un valor de la corriente (I(tin)) igual a dicho valor muestreado de la corriente (Ic) en dicho al menos tercer instante (tin);

   -

   calcular dicha potencia eléctrica media (Pe) sobre la base de dicho patrón de tiempo de la corriente de ajuste muestreada (f(t)).

8. 8.- Un dispositivo electrónico (12) de acuerdo con la reivindicación 7, en el que dicho al menos tercer instante (tin) corresponde a un instante en el que dicha tensión (V(t)) tiene un valor cero.
9. 9.- Un dispositivo electrónico (12) de acuerdo con la reivindicación 7 u 8 y que comprende la etapa de medir el valor punta (VMax) de dicha tensión (V(t)).
10. 10.- Un dispositivo electrónico (12) de acuerdo con la reivindicación 9, en el que dicha potencia eléctrica media (Pe) se calcula sobre la base de dicho patrón de tiempo de la corriente de ajuste (f(t)) y el valor punta (VMax) de dicha tensión (V(t)).
11. 11.- Un dispositivo electrónico (12) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en el que dicho patrón de tiempo de la corriente de ajuste (f(t)) corresponde a una función polinomial.
12. 12.- Un dispositivo electrónico (12) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, en el que dicho dichos medios de conmutación (7) comprenden al menos un Triac.
13. 13.-Un aparato electrodoméstico que comprende una carcasa (2), un tambor de colada (3) montado para girar libremente alrededor de un eje longitudinal (A) de rotación dentro de dicha carcasa (2), y un motor eléctrico universal

    (4) para hacer girar dicho tambor de rota (3) alrededor de dicho eje (A) de rotación; estando conectado dicho motor

    5 eléctrico universal a una red de alimentación de potencia eléctrica (6) por medios de conmutación (7); suministrando dicha red de alimentación de potencia eléctrica (6) una tensión alterna (V(t)) esencialmente sinusoidal a dicho motor eléctrico universal (4); en cada semi-periodo de dicha tensión (V(t)), dichos medios de conmutación (7) son conectados en un primer instante (ton) y son desconectados en un segundo instante (toff), que se establecen como una función de la corriente (I(t)) a suministrar a dicho motor eléctrico universal (4) para controlar la velocidad del

    10 motor universal regulando su suministro de corriente; y dicho aparato electrodoméstico se caracteriza porque comprende un dispositivo electrónico (12) para medir la potencia eléctrica de dicho motor universal (4) y como se reivindicación en una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 12.
14. 14.- Un producto de software que se puede cargar en una memoria de medios electrónicos de cálculo (12) y diseñado para implementar, cuando se realiza, el método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a

    15 6.