ES2847417T3

ES2847417T3 - Método de control de flujo de aire constante de un control directo de potencia de un motor PM y sistema CVAA que utiliza el mismo

Info

Publication number: ES2847417T3
Application number: ES14881059T
Authority: ES
Inventors: Zheng Zhang; Jizhong Wang; Yiqiao Zhou; Yong Zhao
Original assignee: Zhongshan Broad Ocean Motor Co Ltd
Current assignee: Zhongshan Broad Ocean Motor Co Ltd
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2021-08-03
Anticipated expiration: 2034-01-28
Also published as: KR20180017228A; JP2017505894A; WO2015113237A1; EP3104094A4; US10066631B2; BR112016017031A2; MX2014016103A; JP6340434B2; KR20160113678A; US20160281723A1; MX345746B; EP3104094B1; EP3104094A1; CA2859557C; DK3104094T3; BR112016017031B1; PT3104094T; CA2859557A1; KR102009450B1

Abstract

Un método para proporcionar un flujo de aire constante con un motor de velocidad variable (1) para un sistema de calefacción, ventilación y acondicionamiento de aire (CVAA), que comprende las etapas de: (a) calcular una potencia de entrada en tiempo real Pi y una velocidad de rotación en tiempo real ni del motor (1); (b) recibir un flujo de aire objetivo IN-CFM; y (c) determinar un punto de trabajo estable del motor (1) a lo largo de una línea de control de una función P=f(n) que corresponde al flujo de aire objetivo IN-CFM, en donde el punto de trabajo estable especifica una potencia Pt y una velocidad nt del motor (1) en la línea de control de la función de control P=f(n) que proporciona un flujo de aire constante correspondiente al flujo de aire objetivo IN-CFM; (d) determinar si un valor de incremento de potencia ΔP = |Pt - Pi| es menor que un valor establecido Pestablecida; (e) controlar el motor ajustando repetidamente la potencia y velocidad del motor (1) cuando el valor de incremento de potencia es mayor o igual que el valor establecido Pestablecida hasta que el motor (1) funcione en el punto de trabajo estable y proporcione el flujo de aire objetivo IN-CFM de manera que el flujo de aire proporcionado por el sistema CVAA se mantenga constante en el flujo de aire objetivo IN-CFM antes y después de la etapa de ajustar repetidamente la potencia y velocidad del motor (1), en donde ajustar repetidamente la potencia y velocidad del motor (1) comprende ajustar la potencia del motor y luego ajustar posteriormente la velocidad del motor.

Description

DESCRIPCIÓN

Método de control de flujo de aire constante de un control directo de potencia de un motor PM y sistema CVAA que utiliza el mismo

Campo técnico

La presente invención se refiere a un método de control de flujo de aire constante para un motor de velocidad variable y a un aparato que comprende un motor de velocidad variable y un controlador de motor que utiliza el mismo.

Antecedentes de la invención

Los motores PM, abreviatura de motores síncronos de imanes permanentes de CC sin escobillas, también pueden denominarse motores ECM (del inglés "Electronically commutated motors", motores conmutados electrónicamente). Debido a los diferentes entornos de servicio, un motor PM tiene diferentes modos de control que generalmente incluyen un control de velocidad de rotación constante, un control de momento de fuerza constante, un control de flujo de aire constante y similares. El control de flujo de aire constante es un modo habitual en los CVAA (sistemas de calefacción, ventilación y acondicionamiento de aire).

En un conducto de ventilación interior de un acondicionador de aire doméstico, la presión estática varía a menudo a medida que pasa el tiempo, por ejemplo, debido a la deposición de polvo en el conducto o al bloqueo del filtro. Debido a las diferentes instalaciones de un conducto, la presión estática es a menudo más alta que la presión estática estándar de un sistema nominal en el laboratorio de un fabricante. El control de flujo de aire constante puede proporcionar un flujo de aire constante para los usuarios en estas condiciones, manteniendo, de ese modo, un efecto de confort en la ventilación, refrigeración o calefacción con una amplia gama de presiones estáticas, y haciendo que el funcionamiento de un sistema sea eficiente y ahorre energía.

Un método general de control de flujo de aire constante consiste en montar directamente un medidor de flujo de aire. Esto no solo aumenta el coste, sino que también puede producir un posible fallo de control debido a un fallo en el flujo de aire. Los fabricantes actuales de acondicionadores de aire generalmente usan un método de control de flujo de aire constante sin medidores de flujo de aire. A veces, se requiere monitorizar el cambio de presión estática para regular la velocidad. Algunas fórmulas de cálculo implican un cómputo logarítmico o polinomios de orden superior, por lo que se requiere que el MCU de un controlador de motor tenga una capacidad de computación potente, por tanto, el coste se incrementa aún más.

La patente de Estados Unidos n.° US4806833 divulga que se modifica la velocidad de rotación de un motor con respecto a la presión estática externa para adquirir un flujo de aire constante. El cambio de la presión estática externa se calcula según el cambio de velocidad de rotación detectada por un medidor de velocidad de rotación incorporado en el motor. El cálculo del flujo de aire se controla mediante una función de momento de fuerza y velocidad de rotación. La patente de Estados Unidos n.° US5736823a también divulga un método de control de flujo de aire constante, que también está controlado mediante una función de momento de fuerza y velocidad de rotación. El documento JP-2009/195065 divulga un dispositivo de cálculo de potencia que calcula con gran precisión la potencia del motor, un dispositivo de acondicionamiento de aire equipado con el mismo y un método de cálculo de potencia. El documento JP-2013/104578 divulga un sistema de acondicionamiento de aire de tipo VAV en el que la presión estática puede controlarse constantemente sin añadir un sensor de presión estática y accesorios. El documento EP 2128977 divulga un dispositivo de control de un motor que controla un motor de un ventilador para mantener un valor de flujo de aire predeterminado.

Los métodos de control de flujo de aire constante anteriores utilizan el momento de fuerza como una variable de control clave y adolecen de los siguientes problemas técnicos:

1) el momento de fuerza es una variable mecánica, que es difícil de determinar y calcular y, por tanto, influirá en la precisión del control;

2) el control del momento de fuerza se utiliza principalmente en las aplicaciones de control dinámico, pero el control de flujo de aire constante normalmente es un control de estado estable, por lo que el control del momento de fuerza no es muy aplicable;

3) el control del momento de fuerza es relativamente complicado en el control del motor, y el mejor ejemplo es el control vectorial para obtener un mejor control del momento de fuerza; sin embargo, la precisión del control del momento de fuerza del sistema está restringida por el coste del hardware y del software del sistema; y

4) el momento de fuerza no es un parámetro característico que permite a los consumidores y al gobierno gestionar y comprender el funcionamiento de un sistema.

En otras palabras: el momento de fuerza es una variable mecánica que es difícil de determinar directamente; utilizar el momento de fuerza como control variable para realizar un control de un flujo de aire constante tendrá como resultado una operación complicada con un coste elevado; es más, es difícil asociar el momento de fuerza con la gestión del ahorro energético y medioambiental, así como con los estándares defendidos por el gobierno y no es intuitivo.

Sumario de la invención

Un objetivo de la presente invención consiste en proporcionar un método para proporcionar un flujo de aire constante con un motor de velocidad variable y un aparato que comprende un motor de velocidad variable y un controlador de motor que utiliza el mismo. La presente invención es particularmente adecuada para el control de flujo de aire en un estado estable, tiene un algoritmo simple, bajos requisitos de funcionamiento para la CPU, bajo coste y alta precisión de control, y es ventajoso para el control de la conservación de la energía y la reducción de emisiones.

El objetivo de la presente invención se alcanza tal y como se define en las reivindicaciones independientes 1 y 10. Las realizaciones preferentes están descritas en las reivindicaciones dependientes.

En comparación con la técnica anterior, la presente invención tiene los siguientes efectos: 1) mediante la adquisición de una función P=f(n) correspondiente a varios valores de flujo de aire objetivo de entrada CFMestablecido mediante experimentos, calcular el valor calculado Pt de la correspondiente potencia de entrada del motor a través de la función P=f(n) según la velocidad de rotación n del motor, detectar la corriente del bus en tiempo real lbus o corriente de fase y la tensión de bus en tiempo real Vbus, calcular las corrientes la e lp y las tensiones Va y Vp en las coordenadas vectoriales a-p, calcular la potencia de entrada en tiempo real Pi del motor y comparar el valor calculado Pt de la potencia de entrada del motor con la potencia de entrada en tiempo real Pi del motor para realizar un control de bucle cerrado, lo que es particularmente adecuado para el control de flujo de aire constante en un estado estable y tiene una alta precisión y un bajo coste; 2) el flujo de aire constante de la presente invención es para controlar directamente la potencia de entrada del motor, la potencia de entrada del motor es una variable eléctrica y se puede determinar con facilidad y precisión; la potencia de entrada del motor se puede obtener a partir de la tensión del bus de CC, la corriente del bus de CC o la corriente de fase que tenga mayor precisión; el control directo de potencia es adecuado para el control de estado estable del sistema; y el propio control del flujo de aire es un problema típico de control de estado estable, por lo que el sistema es más preciso y estable correlacionando el control directo de potencia con el control del flujo de aire; el control directo de potencia se realiza controlando la velocidad del motor, por lo que tiene una alta precisión y un bajo coste; y 3) la potencia de entrada en tiempo real Pi del motor se puede procesar mediante un filtro digital paso bajo, por lo que la precisión del cálculo es mayor y el coste es menor.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una vista esquemática estructural de un sistema de ventilador de acondicionamiento de aire convencional;

la figura 2 es una vista esquemática de la instalación de un motor PM de acuerdo con una realización de la presente invención;

la figura 3 es un diagrama 3D de un motor PM de acuerdo con una realización de la presente invención;

la figura 4 es un diagrama 3D de un controlador de motor de un motor PM de acuerdo con una realización de la presente invención;

la figura 5 es una vista en sección de un motor PM de acuerdo con una realización de la presente invención; la figura 6 es un diagrama de bloques de un circuito de implementación del controlador de motor de un motor PM de acuerdo con la realización 1 de la presente invención;

la figura 7 es un diagrama de circuito correspondiente a la figura 6;

la figura 8 es un diagrama de flujo de un método de control de flujo de aire constante de acuerdo con la realización 1 de la presente invención;

la figura 9 es un grupo de curvas de adaptación de flujo de aire constante determinadas mediante experimentos de acuerdo con la presente invención;

la figura 10 es una curva de adaptación de datos experimentales del flujo de aire constante controlado por control directo de potencia de un motor PM de 1/3HP de acuerdo con la presente invención;

la figura 11 es una curva de adaptación de cualquier dato experimental de flujo de aire de entrada resuelto mediante un método de interpolación de acuerdo con una realización de la presente invención;

la figura 12 es un diagrama lógico de control de un método de control de flujo de aire constante de acuerdo con la realización 1 de la presente invención;

la figura 13 es un diagrama esquemático de un proceso de control de un método de control de flujo de aire constante de acuerdo con la realización 1 de la presente invención;

la figura 14 es un diagrama esquemático de otro proceso de control de un método de control de flujo de aire constante de acuerdo con la realización 1 de la presente invención;

la figura 15 es un diagrama que muestra los resultados de prueba verificados experimentalmente de un método de control de flujo de aire constante de acuerdo con la realización 1 de la presente invención;

la figura 16 es un diagrama de bloques de un circuito de implementación de un controlador de motor de un motor PM de acuerdo con la realización 2 de la presente invención;

la figura 17 es un diagrama de circuito correspondiente a la figura 12;

la figura 18 es un diagrama esquemático de un control vectorial de un motor PM convencionalmente habitual; la figura 19 es un gráfico de relación del respectivo sistema de coordenadas de un control vectorial de un motor PM convencionalmente habitual; y

la figura 20 es un diagrama lógico de control de un método de control de flujo de aire constante de acuerdo con la realización 2 de la presente invención.

Descripción detallada de la invención

La presente invención se describirá a continuación en detalle con referencia a realizaciones específicas y a los dibujos adjuntos.

En la presente divulgación, como se muestra en la figura 1, un sistema de soplado (tal como un horno de gas o un manipulador de aire) está montado en un conducto convencional de ventilación de acondicionamiento de aire. El sistema de soplado se ha reemplazado por "motor rueda de viento" en la figura. El conducto también está provisto de un filtro de aire en el mismo. Cuando se arranca el motor, el sistema de soplado empieza a soplar aire. Dado que el número de salidas de aire y el número de entradas de aire están relacionados con el número de habitaciones, no existe un estándar universal para el diseño del conducto. Entretanto, el filtro también puede tener diferentes caídas de presión, por lo que el flujo de aire real del sistema del soplador impulsado con un motor de CA monofásico convencional (motor PSC) en diferentes conductos será diferente. Como se muestra en las figuras 2, 1) el control de un producto es un controlador de CVAA, que controla todos los dispositivos operativos del producto y establece información para enviar a un controlador de motor PM por medio del circuito periférico de una interfaz y de un protocolo personalizados.

2) El controlador del motor incluye un microprocesador (un único chip o placa electrónica DSP) para el control del motor. El controlador del motor está provisto de una parte de suministro de energía para proporcionar energía a cada circuito del controlador. El suministro de energía tiene una tensión y una corriente del bus de Cc . Por lo tanto, el control del motor realizará la transmisión de potencia. Los controladores de motor de bajo coste producidos en masa habitualmente usan circuitos de resistencia paralelos como hardware de detección de corriente y tensión y como retroalimentación del sistema para controlar los accionadores del motor para ejecutar el control del motor, por ejemplo, un control vectorial, un control directo del momento de fuerza y otros tipos de control por sensor o de control sin sensor. Es bien sabido que el cambio del período de funcionamiento de cualquier componente electrónico influye en la precisión y persistencia de la detección. 3) El rotor de un motor PM está provisto en el mismo de imanes y estructuras y hay un bobinado multifásico en el lado del estátor o ranura. Cuando la temperatura varía, las resistencias de los bobinados y de los imanes permanentes cambiarán, por lo que es posible que como resultado se produzcan diferentes cambios en el control del motor. Normalmente, durante la fabricación de los motores, también se generará cierto grado de cambios. El envejecimiento de un motor, un motor nuevo y un motor viejo, son factores de precisión y persistencia del control. Durante la vida útil, el flujo magnético del imán del motor se desmagnetizará debido a los cambios de temperatura. Además, los riesgos potenciales de fallo del árbol del motor y la seguridad de un sistema deberían detectarse o monitorizarse en tiempo real. 4) Soplador de aire: el soplador de aire está montado en un árbol del motor y el flujo de aire generado por la rotación se produce a cierta velocidad. La posición de montaje puede influir en el funcionamiento, resultando en una mayor fricción, un volumen de poco flujo e incluso una dirección de rotación incorrecta. 5) Filtro: se debería realizar un mantenimiento y sustituir el filtro a intervalos regulares. Sin embargo, es posible que no se pueda realizar la trazabilidad durante un largo periodo de tiempo. Esto aumentará la fricción e influirá aún más en la presión del flujo de aire. 6) Control de conductos: es probable que cambie el sistema de conductos. El polvo, la rotura de conductos, el control de zonas y el encendido/apagado de las tomas de aire suponen cambios de presión en el sistema. De acuerdo con las condiciones reales anteriores, causará muchos factores de inestabilidad si se realiza un control constante del flujo de aire.

Como se muestra en las figuras 3, 4 y 5, un motor de imanes permanentes normalmente consiste en un controlador de motor 2 y un cuerpo de motor único 1. El cuerpo de motor único 1 incluye un conjunto de estátor 12, un conjunto de rotor 13 y un conjunto de cerramiento 11. El conjunto de rotor 13 está montado en el conjunto de cerramiento 11. El cuerpo de motor único 1 está provisto de un sensor Hall 14 para detectar la posición de un rotor. El conjunto de rotor 13 está envainado dentro o fuera del conjunto de estátor 12. El controlador de motor 2 incluye una caja de control 22 y una placa de circuito de control 21 montada dentro de la caja de control 22. La placa de circuito de control 21 generalmente incluye un circuito de suministro de energía, un microprocesador, un circuito de detección de corriente del bus, un circuito inversor y un circuito de medición de la posición del rotor 14 (es decir, el sensor Hall). El circuito de suministro de energía proporciona energía para cada parte del circuito. El circuito de medición de la posición del rotor detecta una señal de posición del rotor e introduce la señal de posición del rotor en el microprocesador. El circuito de detección de corriente del bus introduce la corriente detectada del bus en el microprocesador. Un circuito de detección de tensión del bus introduce la tensión del bus de CC en el procesador. El microprocesador controla el circuito inversor y el circuito inversor controla cada devanado de bobina de fase del conjunto de estátor 12 para que se encienda o apague.

Realización 1

Como se muestra en las figuras 6 y 7, se asume que el motor PM es un motor síncrono trifásico de imanes permanentes CC sin escobillas. El circuito de medición de la posición del rotor 14 generalmente emplea 3 sensores Hall. Los 3 sensores Hall detectan la posición de un rotador en un ciclo de ángulo eléctrico de 360°, respectivamente. El encendido de cada bobinado de bobina de fase del conjunto de estátor 12 cambia una vez por cada ángulo eléctrico de 120°, para formar un modo de control trifásico de 6 pasos. La CA de ENTRADA pasa a través de un circuito de rectificación de onda completa que consta de los diodos d 7, D8, D9 y D10 y luego se emite una tensión de bus de CC, Vbus, desde un terminal de un condensador C1. La tensión de bus de CC, Vbus, está relacionada con la tensión de CA de entrada.

Después de determinar la tensión de CA de ENTRADA, la tensión de línea UP de un bobinado trifásico es una tensión de salida de corte PWM (por sus siglas en inglés de "Pulse width modulation", modulación por ancho de pulsos). UP=Vbus*w, donde w es una relación de trabajo de una señal PWM introducida en el circuito inversor por el microprocesador. Al cambiar la tensión de línea UP se puede cambiar una corriente de bus de CC, Ibus. El circuito inversor consiste en conmutadores electrónicos Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 y Q6. Los terminales de control de los conmutadores electrónicos Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 y Q6 están controlados por 6 señales PWM (P1, P2, P3, P4, P5 y P6) emitidas por el microprocesador. El circuito inversor también está conectado a una resistencia R1 para detectar la corriente del bus, Ibus. El circuito de detección de corriente del bus convierte la corriente de bus, Ibus, detectada de la resistencia R1 y luego la transmite al microprocesador. El control de potencia de entrada del motor está controlado por un conmutador electrónico Q7. Una señal PWM (es decir, P0) emitida por el microprocesador controla el tiempo de encendido del conmutador electrónico Q7 para controlar la energía de entrada del motor.

Tal y como se muestra en la figura 8, se ilustra un método de control de flujo de aire constante del control directo de potencia del motor PM en un sistema CVAA. El motor PM acciona una rueda de viento y está provisto de un conjunto de estátor, un conjunto de rotor de imanes permanentes y un controlador de motor. El controlador del motor incluye un microprocesador, un circuito inversor, un circuito de medición de la posición del rotor, un circuito de detección de corriente del bus, un circuito de detección de tensión del bus y un circuito de control de potencia de entrada del motor (no mostrado); el circuito de medición de la posición del rotor detecta una señal de posición del rotor e introduce la señal de posición del rotor en el microprocesador; el microprocesador calcula la velocidad de rotación n en tiempo real del motor; el circuito de detección de corriente del bus introduce una corriente de bus en el microprocesador; el circuito de detección de tensión del bus introduce una tensión del bus de CC en el procesador; el microprocesador controla el circuito inversor; el circuito inversor controla cada fase de devanado de bobina del conjunto del estátor para que se encienda o apague; y el microprocesador controla el circuito de control de potencia de entrada del motor, caracterizado por que, el método de control de flujo de aire constante del control directo de potencia del motor PM incluye las siguientes etapas:

etapa A) poner en marcha el controlador del motor para recibir o preestablecer un flujo de aire objetivo, IN-CFM; etapa B) adquirir una función correspondiente P=f(n) según el flujo de aire objetivo, IN-CFM, en donde n denota una velocidad de rotación y P denota la potencia de entrada del motor;

etapa C) entrar en un modo de control de flujo de aire constante controlado por control directo de potencia: controlar el motor o arrancar el motor cuando la velocidad del motor es 0, para permitir que el motor alcance un punto de trabajo estable (pt, nt) a lo largo de una línea de control de la función P=f(n), en donde pt, nt son un par de entradas de potencia y velocidad de rotación en una línea de la función de control P=f(n) que satisface el flujo de aire constante;

etapa D) mantener el modo de control de flujo de aire constante controlado por control directo de potencia: calcular la potencia de entrada en tiempo real Pi del motor de acuerdo con los parámetros de funcionamiento del motor y calcular AP = |Pf-P/|;

etapa E) mantener el punto de trabajo actual si el valor de incremento de potencia AP es menor que un valor establecido Pestablecida;

etapa F) calcular, mediante una lógica de control de potencia/velocidad de rotación, si se alcanza o no el tiempo de funcionamiento de un bucle de velocidad si el valor de incremento de potencia AP es mayor o igual que el valor establecido Pestablecida, y mantener el punto de trabajo actual si aún no se ha alcanzado el tiempo de funcionamiento del bucle de velocidad; y

etapa G) entrar en un circuito de control de velocidad para ajustar la velocidad según An = |n/'-nf| si ya se ha alcanzado el tiempo de funcionamiento del bucle de velocidad, para obtener un nuevo punto de trabajo (Pi, ni) en la línea, es decir, asumiendo que pt=Pi y nt=ni, y volver a la etapa C, donde ni denota una velocidad de rotación en tiempo real.

La función anterior P=f(n) se obtiene de la siguiente manera: recolectar datos originales al principio, ajustar de una presión estática baja a una presión estática elevada con respecto a diversos flujos de aire objetivo todo el tiempo, donde la presión estática puede cubrir un intervalo de presión estática aplicada realmente; hacer que el motor esté bajo un control de velocidad de rotación constante en el proceso de ajuste de la presión estática, mantener el flujo de aire como un flujo de aire objetivo ajustando la velocidad de rotación n y la potencia de entrada en tiempo real Pi del motor, y registrar la velocidad de rotación estable n y la correspondiente potencia de entrada en tiempo real Pi del motor en ese momento, de modo que se genere un grupo de velocidad de rotación n y la potencia de entrada en tiempo real Pi con respecto a cada uno de los diversos flujos de aire objetivo; y a continuación, generar una función P=f(n) correspondiente a cada uno de los diversos flujos de aire objetivo mediante un método de adaptación de curvas.

Si un valor de flujo de aire objetivo introducido externamente IN-CFM no es igual a uno de los diversos flujos de aire objetivo determinados anteriormente, una función P=f(n) correspondiente a cualquier valor de flujo de aire objetivo introducido externamente IN-CFM puede adaptarse y calcularse mediante un método de interpolación, para realizar el control de flujo de aire constante de cualquier flujo de aire objetivo durante todo el transcurso.

La función de relación P=f(n) es una función polinómica: P= Ci+C²xn+...+Cmxnm-1, en donde Ci, C²,* "C m son todos coeficientes, n denota un valor de velocidad de rotación del motor, cada uno de los flujos de aire objetivo corresponde a un grupo de coeficientes Ci, C²,*",Cm y los coeficientes se almacenan; y el microprocesador adquiere el grupo correspondiente de coeficientes Ci, C²/",C m mediante un método de consulta en una tabla o un método de interpolación de acuerdo con el valor de flujo de aire objetivo introducido IN-CFM para obtener la relación de función P=f(n).

La función de relación P=f(n) es una función de segundo orden: P=C¹+ C²x n C³x n2.

El desarrollo y modelo matemático del método de control de flujo de aire constante controlado por control directo de potencia (Método de control directo de P del aparato de control de flujo de aire constante) provisto por la presente divulgación se establece de tal manera que:

generalmente, en un sistema de ventilación, un ventilador es impulsado por un accionador de motor PM para generar un flujo de aire en un estado estable. El control de flujo de aire constante se realiza controlando la velocidad y la potencia a una presión estática, con referencia a la siguiente expresión relacional: CFM=F (P, velocidad, presión), en donde CFM denota el flujo de aire, P denota la potencia, velocidad denota la velocidad y la presión denota la presión estática. Cuando la presión estática varía, el flujo de aire constante se mantiene controlando la potencia y la velocidad. Con el aumento de la presión estática, la potencia y la velocidad también varían con la presión estática. Se puede determinar un grupo de curvas de flujo de aire constante, CFM, como se muestra en la figura 9. Basándose en estas curvas de flujo de aire constante, CFM, se desarrolla un modelo de control. Cuando el control del producto determina los requisitos de flujo de aire, se proporciona un flujo de aire constante, CFM, controlando la potencia y velocidad a una presión estática específica. En la figura 9, las curvas características representan características físicas de flujo de aire constante para mantener el control de la potencia y la velocidad. Dentro del intervalo de potencia nominal de todos los motores, de los fabricantes de acondicionadores de aire de sistemas de flujo de aire de cualquier diseño, en función de los resultados de las pruebas de las curvas de potencia y velocidad, se puede concluir que una función cuadrática típica se puede utilizar mejor como función típica para desarrollar y establecer un modelo: P=C¹+ C²x n C³x n2. Seleccionando tres puntos indeterminados (A, B y C) en las curvas, es decir, datos (p1, n1), (p2, n2) y (p3, n3) en las coordenadas correspondientes, se adquieren los coeficientes C1, C2 y C3, con referencia a la siguiente fórmula: F(A,B,C) = Y’P'ÍYi - (C1 + C2*n + C3*n2))2; la ecuación se resuelve aplicando 5F/5A=0, dF/d B=0 y 5F/5C=0 y entonces m=3.

El proceso de adaptación de curvas consiste en: seleccionar un polinomio para describir una curva; los coeficientes del polinomio se pueden obtener mediante el método de mínimos cuadrados. Teóricamente, se puede usar P = C¹+ C²x n C³x n2 ...+ Cm x nm-1, pero en la práctica, un binomio seleccionado puede cumplir requisitos generales. La función de relación P=f(n) es una función de segundo orden: P = C¹+ C²x n C³x n2, en donde C¹, C²y C³son todos coeficientes, n denota un valor de velocidad de rotación del motor, correspondiendo uno cualquiera de los diversos flujos de aire objetivo determinados a un grupo de coeficientes C¹, C²y C³correspondientes, y se almacenan los coeficientes; y el microprocesador adquiere el grupo correspondiente de coeficientes C¹, C²y C³consultando una tabla según el valor de flujo de aire objetivo introducido IN-CFM para obtener la función de relación P=f(n). En una carga determinada, cada flujo de aire objetivo corresponde a un grupo de coeficientes C¹, C²y C³, que se muestra específicamente en la siguiente Tabla 1:

Tabla 1

La figura 10 es una curva de adaptación de datos experimentales de flujo de aire constante controlado por control directo de potencia de un motor PM de 1/3HP en un sistema CVAA con un conducto pequeño. Con respecto a un flujo de aire objetivo dado, el sistema selecciona algunos flujos de aire, CFM, típicos como puntos de prueba para establecer una base de datos para el modelado matemático. Estos puntos típicos incluyen valores de flujo de aire mínimo y máximo con algunos puntos intermedios adjuntos según las especificaciones del producto. Hay 5 flujos de aire, CFM, típicos como puntos de prueba, es decir, 4,25/8,49/12,74/16,99 y 21,24 m3/min (150/300/450/600 y 750 CFM), respectivamente.

La Tabla 2 muestra un ejemplo del resultado de los datos de prueba. El intervalo de velocidad de rotación del motor es de 200 a 1400 rpm, y la presión estática del sistema es de 0,1 a 1 H²O. Al mantener una salida de flujo de aire constante, CCFM, preestablecido, se adquiere un valor por unidad correspondiente a la potencia de entrada del motor de la figura 10, para formar una base de datos.

Tabla 2

Por el método de mínimos cuadrados, la función cuadrática de potencia y velocidad de rotación correspondientes a cada uno de los flujos de aire, CFM, predeterminados se obtiene mediante un método de cálculo estándar: la potencia definida por estas ecuaciones y la velocidad de un punto de trabajo de cualquier sistema a una presión estática específica. Cuando el flujo de aire de entrada IN-CFm está preestablecido, el sistema motor define una función correspondiente al IN-CFM, y el seguimiento de sus puntos de trabajo sigue la definición de la función. Las ecuaciones (3)-(7) pueden representar ecuaciones estándar, donde C1, C2 y C3 son todos constantes:

Potencia (150) = 0 ,3388 (^ )2 - 0 ,1551 (^ ) 0,0458 (3),

Potencia (300) = 0,4423(— )2 - 0,2113(— ) 0,0765 (4),

Potencia (450) = 0 ,3987 (^ )2 - 0 ,0308 (^ ) 0,0294 (5),

Potencia (600) = 0 ,2580 (^ )2 0 ,3983 (^ ) - 0,1379 (6),

Potencia ('750) _' = 0, _’ 1385' (1—000' )2 0’,8150 ' (—íooo' ) - 0,’3139 ' (7) _” ,

De este modo, se obtiene P = C¹+ C²x n C³x n2. Las curvas de modelado de las ecuaciones (3)-(7) proporcionan pistas de 5 puntos de trabajo seleccionados necesarios para diversos flujos de aire constantes, CFM, donde Potencia denota la potencia y n denota la velocidad de rotación.

Tal y como se muestra en la figura 11, si el flujo de aire constante solicitado IN-CFM no es una de las curvas de modelado, se adquiere una nueva ecuación característica para adaptar el flujo de aire constante solicitado IN-CFM mediante un método de interpolación. Por ejemplo, cuando se recibe la solicitud de flujo de aire constante IN-CFM, se pueden identificar dos curvas de modelado adyacentes CFM1-16,99 m3/min (600 cfm) y CFM2-12,74 m3/min (450 cfm). A continuación, se pueden usar dos ecuaciones correspondientes para calcular una nueva ecuación de la curva IN-CFM=14,87 m3/min (525 cfm). Basándose en el IN-CFM=525 cfm solicitado, se calculan valores de potencia de tres velocidades seleccionadas w1, u>2 y w3, y luego se puede calcular el valor P usando las ecuaciones de las dos curvas del modelo con respecto a los puntos de doble potencia a la velocidad seleccionada mediante una interpolación de ponderación lineal. En primer lugar, los datos de la matriz se enumeran a continuación:

Para un par de puntos de potencia (pi¡, p²i) correspondientes a una velocidad seleccionada u>, y las velocidades seleccionadas u>1, u>2 y u>3 correspondientes a 3 pares de puntos de potencia (pii, p²i), el valor Pi se puede calcular por interpolación de ponderación lineal:

p i = P2i + w.( p ii - P2i ).

El valor de p ~onderación W se calcula de manera q ” ue: w = C C F F M M1~ - C CFFMM12 .

Cabe señalar que CFM2<IN-CFM<CFM1 y 0<W<1. Se puede calcular la siguiente ecuación matricial:

De este modo, se puede obtener la función P = C¹+ C²x n C³x n2 correspondiente al IN-CFM=14,87 m3/min (525 cfm). Para resolver la ecuación matricial, se pueden calcular los coeficientes C1, C2 y C3. Por lo tanto, para cualquier flujo de aire de entrada IN-CFM, se puede obtener una ecuación de potencia. Este proceso finaliza durante la inicialización del microprocesador (es decir, chip único) en el controlador del motor, por lo que no es necesario que el cálculo de la potencia consuma muchos recursos de la CPU en tiempo real.

La potencia de entrada en tiempo real Pi del motor se procesa mediante un filtro paso bajo digital: se aplica la técnica de filtrado de un filtro de respuesta de pulso infinito y se asume que la entrada y la salida se muestrean dentro de un período de muestreo (frecuencia de conmutación pW m ). Una secuencia de entrada de potencia se representa como (P^{e n i}, ...P^eni..., P^enn), y una secuencia de salida de potencia se representa como (Psalida1, ... Psalidai..., Psalidan). En correspondencia con un mismo punto temporal, el filtro paso bajo puede considerarse como:

Psalidai-Psalidai- ¹, donde, T denota una constante de tiempo.

Después de los elementos anteriores, una relación de recurrencia y un tiempo discreto se dan de nuevo, y el filtro paso bajo se puede representar como un promedio móvil ponderado exponencialmente:

P^salidai= a • p^eni+ (1 - a) • p^salidai-1

donde

Según la definición, un factor de alisado es 0<a<1. Si a=0,5, la constante de tiempo es igual al período de muestreo. Si a<< <0,5, la constante de tiempo es obviamente mayor que el intervalo de muestreo.

El filtro de potencia está controlado por un DPC, y a<0,01. Por lo tanto, At=a T.

El cambio de una salida de filtro a la siguiente salida de filtro es proporcional a la diferencia entre la salida y la entrada anteriores. Esta proporción de decaimiento exponencial de alisado se muestra en un sistema de tiempo continuo. Como se esperaba, con el aumento de tiempo, el factor de alisado a del tiempo discreto disminuye, la secuencia de salida de potencia se representa como (Psalida1, ... Psalidai..., Psalidan), la reacción es relativamente lenta y la secuencia de entrada de potencia se representa como (P^{e n i}, ...P^eni..., P^enn). Por lo tanto, el sistema tiene mayor inercia.

Esta técnica de filtrado también se puede aplicar para procesar y calcular dos señales de tensión de bus de CC y de corriente de bus de CC.

Se puede ver que el DPC (por sus siglas en inglés de "Direct Power Control", control directo de potencia) realiza el control de potencia controlando la velocidad de rotación. La lógica de control de potencia/velocidad de rotación funciona coordinando la constante de tiempo del circuito de potencia/velocidad de rotación para garantizar la estabilidad del sistema. El control se puede comparar mediante el control de precisión y el control del momento de fuerza del motor de control. Ya sea en un control escalar o en un control vectorial, el control de velocidad es más eficiente que el control del momento de fuerza, para que mejore la precisión del control.

El control DPC realiza el control de velocidad mediante características únicas de potencia y velocidad de carga del ventilador. Cuando un motor se acciona desde una velocidad de rotación cero hasta una velocidad de rotación elevada, la potencia también aumenta desde cero. La velocidad de rotación del motor aumentará hasta un par de puntos de trabajo A (potencia, velocidad), es decir, un punto de presión estática, como se muestra en la figura 13. Cuando la presión estática aumenta repentinamente, el motor proporciona más potencia (o un momento de fuerza mayor) para mantener la velocidad en un modo de control de velocidad. Dado que una presión estática más elevada requiere una potencia mayor, la potencia se elevará repentinamente hasta una potencia más elevada. Cuando el sistema motor alcanza un nuevo punto de trabajo "B" a la misma velocidad, el algoritmo sabrá si se trata de un punto de trabajo de curva de línea de CFM constante, para determinar un par de puntos de potencia/velocidad "C". Sin embargo, el punto C no es un punto de trabajo estable. Debido al requisito de potencia elevada, se elimina un punto "D", hasta que un nuevo punto de trabajo estable "G" converja en dicha repetición y el proceso finalice.

Durante la implementación, la fluctuación y el cambio repentino de potencia se pueden reducir utilizando un control de incremento de potencia restringido. Tal y como se muestra en la figura 14, el incremento de potencia puede designarse AP. El control de velocidad se puede realizar siempre que el cambio de potencia supere el incremento de potencia AP. De esta manera, todos los puntos de trabajo funcionan bajo el ancho de banda positivo/negativo de las curvas de la línea del correspondiente flujo de aire constante, CFM. El sistema de control del flujo de aire es estable en el proceso transitorio de cambio de presión estática.

Tal y como se muestra en la figura 15, se ha probado el método y el algoritmo anteriores de control de flujo de aire constante en nuestro controlador de motores PM controlando directamente la potencia de un motor. Todas las prestaciones del sistema cumplen los requisitos que se muestran en la figura 15.

La figura 12 es un diagrama lógico de este algoritmo en una aplicación de control escalar de motor PM. La potencia de entrada se calcula a partir de la tensión y corriente del bus de CC. La potencia y la velocidad de rotación están limitadas dentro de una potencia máxima Pmáx y una velocidad de rotación máxima nmáx.

Calculando la potencia de entrada en tiempo real Pi del motor según la corriente/tensión del bus de CC de retroalimentación, se obtiene el valor calculado Pt de la potencia de entrada del motor según el flujo de aire introducido externamente IN-CFM y mediante la coincidencia de datos de potencia/velocidad. A continuación, se obtiene la diferencia de potencia Ap comparando el valor calculado Pt de la potencia de entrada del motor con la potencia de entrada en tiempo real Pi del motor. La diferencia de potencia AP está limitada, evitando así una fluctuación demasiado grande en el ajuste de potencia debido a una diferencia de potencia AP demasiado grande. La diferencia de potencia AP es emitida por la lógica de control de potencia/velocidad para realizar el control de velocidad, y el convertidor de frecuencia PWM realiza el control de la velocidad de rotación.

Realización 2: La mayor diferencia entre esta realización y la realización 1 radica en el cálculo de la potencia de entrada en tiempo real Pi de un motor. En la realización 1, se emplea un control escalar, es decir, la potencia de entrada en tiempo real de un motor se calcula a partir de la corriente de bus lbus recopilada en tiempo real y la tensión del bus en tiempo real: P = Ibus x Vbus. Sin embargo, el motor PM en esta realización emplea un control vectorial sin sensores, por lo que el cálculo de la potencia de entrada en tiempo real Pi del motor es relativamente complicado.

Como se muestra en las figuras 16 y 17, se asume que el motor PM es un motor síncrono trifásico de imanes permanentes de CC sin escobillas basado en un control vectorial sin sensores de posición del rotador. Un circuito de detección de corriente de fase detecta la corriente de fase de un bobinado del estátor y luego introduce la corriente de fase en un microprocesador. Un observador de flujo en el microprocesador calcula la velocidad de rotación n y la posición del rotor según la corriente de fase y la tensión del bus de CC. La CA de ENTRADA pasa a través de un circuito de rectificación de onda completa que consta de los diodos D7, D8, D9 y D10, y a continuación, se emite la tensión del bus de CC, Vbus, desde un terminal de un condensador C1. La tensión de bus de CC, Vbus, está relacionada con la tensión de entrada de CA. La figura 18 es un diagrama de bloques de un control vectorial típico.

Tal y como se muestra en la figura 19, se ilustra un diagrama de un sistema de coordenadas de un control vectorial típico. El control vectorial se ha registrado en detalle en libros de texto y documentos de patente, por lo que no se repetirá aquí. Si se conoce una velocidad de rotación objetivo que se quiere controlar, el control de bucle cerrado puede realizarse por control vectorial. Hay 3 sistemas de coordenadas en la figura, es decir, un sistema de coordenadas cartesianas fijo (coordenada a - p), una coordenada rotacional del rotor (coordenada del eje d-q) y un sistema de coordenadas rotacionales del flujo del estátor (coordenada del eje ds-qs). En la figura, w denota la velocidad del rotor, 0 denota un ángulo de rotación entre la coordenada del eje d-q y la coordenada del eje ds-qs, y 8 denota un ángulo de carga rotacional de la coordenada del eje d-q y la coordenada del eje ds-qs. Por lo tanto, la corriente vectorial y la tensión vectorial del sistema de coordenadas del eje d-q pueden convertirse en la corriente y la tensión del sistema de coordenadas a - p.

Durante el control vectorial mostrado en las figuras 16 y 17, un circuito de detección de parámetros de funcionamiento del motor incluye un circuito de detección de corriente de fase y un circuito de detección de tensión del bus. El circuito de detección de corriente de fase y el circuito de detección de tensión del bus detectan datos de corriente de fase y tensión del bus y luego los introducen en el microprocesador. La corriente de fase en tiempo real y la tensión del bus en tiempo real Vbus se convierten en corrientes la e Ip y en tensiones Va y Vp en las coordenadas a y p. La entrada de potencia en tiempo real del motor es Pi=3/2 (la X Va Ip X Vp).

Tal y como se muestra en la figura 20, se ilustra un diagrama lógico de un método de control de flujo de aire constante DPC en un sistema motor PM de control vectorial sin sensores. La potencia de entrada se calcula por control vectorial. La potencia se filtra y luego se usa para el control de potencia. Un observador de flujo magnético estima la velocidad de rotación y la posición de un rotor. Según el flujo de aire introducido externamente IN-CFM y la coincidencia de datos de potencia/velocidad, se calcula el valor calculado Pt correspondiente de la potencia de entrada del motor mediante la función P=f(n). A continuación, se obtiene una diferencia de potencia AP comparando el valor calculado Pt de la potencia de entrada del motor con la potencia de salida en tiempo real Pi del motor. La diferencia de potencia AP está limitada, evitando así una fluctuación demasiado grande en el ajuste de potencia debido a una diferencia de potencia AP demasiado grande. La diferencia de potencia AP es emitida por la lógica de control de potencia/velocidad para realizar el control de velocidad, y el control del bucle de velocidad se realiza por control vectorial.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para proporcionar un flujo de aire constante con un motor de velocidad variable (1) para un sistema de calefacción, ventilación y acondicionamiento de aire (CVAA), que comprende las etapas de:

(a) calcular una potencia de entrada en tiempo real Pi y una velocidad de rotación en tiempo real ni del motor (1); (b) recibir un flujo de aire objetivo IN-CFM; y

(c) determinar un punto de trabajo estable del motor (1) a lo largo de una línea de control de una función P=f(n) que corresponde al flujo de aire objetivo IN-CFM, en donde el punto de trabajo estable especifica una potencia Pt y una velocidad nt del motor (1) en la línea de control de la función de control P=f(n) que proporciona un flujo de aire constante correspondiente al flujo de aire objetivo IN-CFM;

(d) determinar si un valor de incremento de potencia AP = |Pt - Pi| es menor que un valor establecido Pestablecida; (e) controlar el motor ajustando repetidamente la potencia y velocidad del motor (1) cuando el valor de incremento de potencia es mayor o igual que el valor establecido Pestablecida hasta que el motor (1) funcione en el punto de trabajo estable y proporcione el flujo de aire objetivo IN-CFM de manera que el flujo de aire proporcionado por el sistema CVAA se mantenga constante en el flujo de aire objetivo IN-CFM antes y después de la etapa de ajustar repetidamente la potencia y velocidad del motor (1), en donde ajustar repetidamente la potencia y velocidad del motor (1) comprende ajustar la potencia del motor y luego ajustar posteriormente la velocidad del motor.

2. El método de la reivindicación 1, en donde la función P=f(n) correspondiente a un flujo de aire objetivo se obtiene registrando velocidades de rotación estables y las correspondientes potencias de entrada en tiempo real que producen cada uno de los diversos flujos de aire objetivo cubriendo un intervalo de presión estática realmente aplicada.

3. El método de la reivindicación 2, en donde ajustar la potencia comprende ajustar la velocidad del motor (1) cuando el valor de incremento de potencia AP es mayor o igual que el valor establecido Pestablecida, hasta que el valor de incremento de potencia AP sea menor que el valor establecido Pestablecida.

4. El método de la reivindicación 2, que además comprende si un flujo de aire objetivo introducido externamente IN-CFM no es igual a uno de los diversos flujos de aire objetivo para los que se han registrado velocidades de rotación constantes y las correspondientes potencias de entrada en tiempo real, se adapta una función P=f(n) correspondiente a cualquier flujo de aire objetivo introducido externamente IN-CFm y se calcula mediante un método de interpolación.

5. El método de la reivindicación 1, que además comprende determinar la potencia de entrada en tiempo real del motor, basándose, al menos en parte, en valores instantáneos de una tensión de bus de corriente continua (CC) y en una corriente de bus de CC en un inversor acoplado al motor (1).

6. El método de la reivindicación 1, que además comprende determinar la potencia de entrada en tiempo real del motor (1) basándose, al menos en parte, en la tensión de bus de corriente continua (CC) en un inversor acoplado al motor (1) y en corrientes de fase del motor, en donde las corrientes de fase corresponden a las corrientes en una pluralidad de bobinados de fase de un estátor (12) del motor (1).

7. El método de la reivindicación 1, que además comprende mantener el punto de trabajo actual del motor (1) cuando el valor de incremento de potencia AP es menor que el valor establecido Pestablecida.

8. El método de la reivindicación 1, que además comprende repetir las etapas a - e de manera que el motor (1) proporcione un flujo de aire constante en el sistema CVAA.

9. El método de la reivindicación 1, en donde el motor (1) es un motor de imanes permanentes.

10. Un aparato para proporcionar un flujo de aire constante para sistema de calefacción, ventilación y acondicionamiento de aire (CVAA), que comprende:

un motor de velocidad variable (1); y

un controlador de motor (2) acoplado al motor de velocidad variable (1) y configurado para controlar el funcionamiento del motor de velocidad variable (1), comprendiendo el controlador de motor (2) un procesador configurado para realizar las etapas de:

(a) calcular una potencia de entrada en tiempo real Pi y una velocidad de rotación en tiempo real ni del motor (1);

(b) recibir un flujo de aire objetivo IN-CFM;

(c) determinar un punto de trabajo estable del motor (1) a lo largo de una línea de control de una función P=f(n) que corresponde al flujo de aire objetivo IN-CFM, en donde el punto de trabajo estable especifica una potencia Pt y una velocidad nt del motor en la línea de control de la función de control P=f(n) que proporciona un flujo de aire constante correspondiente al flujo de aire objetivo IN-CFM;

(d) determinar si un valor de incremento de potencia AP = |Pt - Pi| es menor que un valor establecido Pestablecida; y

(e) controlar el motor ajustando repetidamente la potencia y velocidad del motor (1) cuando el valor de incremento de potencia AP es mayor o igual que el valor establecido Pestablecida hasta que el motor (1) funcione en el punto de trabajo estable y proporcione el flujo de aire objetivo IN-CFM de manera que el flujo de aire proporcionado por el sistema CVAA se mantenga constante en el flujo de aire objetivo IN-CFM antes y después de la etapa de ajustar repetidamente la potencia y velocidad del motor (1), en donde ajustar repetidamente la potencia y velocidad del motor (1) comprende ajustar la potencia del motor y luego ajustar posteriormente la velocidad del motor.

11. El aparato de la reivindicación 10, en donde la función P=f(n) correspondiente a un flujo de aire objetivo se obtiene registrando velocidades de rotación estables y las correspondientes potencias de entrada en tiempo real que producen cada uno de los diversos flujos de aire objetivo cubriendo un intervalo de presión estática realmente aplicada.

12. El aparato de la reivindicación 11, en donde el procesador configurado para realizar la etapa de ajuste de la potencia comprende el procesador configurado para realizar la etapa de ajuste de la velocidad del motor cuando el valor de incremento de potencia AP es mayor o igual que el valor establecido Pestablecida hasta que la potencia de entrada en tiempo real Pi del motor (1) esté dentro del intervalo Pestablecida de la potencia Pt del punto de trabajo estable.

13. El aparato de la reivindicación 11, en donde el procesador además está configurado para realizar la etapa de, si un flujo de aire objetivo introducido externamente IN-CFM no es igual a uno de los diversos flujos de aire objetivo para los que se han registrado velocidades de rotación estables y las correspondientes potencias de entrada en tiempo real, adaptar y calcular mediante un método de interpolación una función P=f(n) correspondiente a cualquier flujo de aire objetivo introducido externamente IN-CFM.