MX2007015387A

MX2007015387A - Metodo y aparato para control de velocidad de motor variable silencioso.

Info

Publication number: MX2007015387A
Application number: MX2007015387A
Authority: MX
Inventors: Stuart Dejonge; James P Steiner; Aaron Dobbins; Chen Ming Wu
Original assignee: Lutron Electronics Co
Priority date: 2005-06-06
Filing date: 2006-06-06
Publication date: 2008-02-19
Also published as: US20060273751A1; US7330004B2; CN101366168B; EP1894293B1; EP1894293A1; CA2611585A1; CA2611585C; BRPI0613240A2; WO2006133154A1; CN101366168A

Abstract

Un aparato para controlar la velocidad de un motor AC comprende un interruptor adaptado para ser acoplado en paralelo con terminales de energia para el motor AC; un capacitor acoplado en serie con la combinacion paralela del interruptor y el motor; el capacitor adaptado para proveer un voltaje de suministro AC desde una fuente AC al circuito paralelo que comprende el motor y el interruptor; y un circuito de control para controlar el tiempo de conduccion del interruptor a fin de variar la velocidad del motor; el interruptor de preferencia esta modulado a lo ancho del impulso a una frecuencia dos veces la frecuencia de linea del voltaje de suministro AC , y el interruptor es encendido cuando el voltaje a traves del motor AC es de cero voltios; el aparato opera para proveer control continuamente variable de la velocidad del motor al mismo tiempo que se reduce al minimo el ruido acustico en el motor.

Description

MÉTODO Y APARATO PARA CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTOR VARIABLE SILENCIOSO CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a dispositivos de control de carga para proporcionar potencia variable a cargas de corriente alternas (AC) , por ejemplo, cargas de motor, y muy particularmente, a motores de ventilador AC. De manera más particular, la invención se refiere a un control de velocidad de ventilador variable silencioso, el cual permite sustancialmente una variabilidad completa en el control de velocidad del ventilador.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Un problema con loe controladores conocidos para motores de ventilador es que algunas de las técnicas que se han utilizado en el pasado presentan serias desventajas. Por ejemplo, se conocen los controles de velocidad de ventilador variable completamente. La figura ÍA muestra un control de velocidad de ventilador completamente variable de la técnica anterior 10 en donde un interruptor 12, que por lo general comprende un interruptor de semiconductor bidireccional, tal como un tiristor triodo bidireccional, es controlado por un circuito de control 14 para cambiar el ángulo de fase al cual el tiristor triodo bidireccional comienza a conducir, proveyendo así control de velocidad variable. El control de velocidad del ventilador 10 está acoplado entre una fuente de energía AC 16 y un motor de ventilador 18. Tal como lo conocen aquellos expertos en la técnica, al controlar el ángulo de fase al cual el tiristor triodo bidireccional comienza a conducir (es decir, el tiempo de conducción del tiristor triodo bidireccional cada medio ciclo de la fuente de energía AC) , se puede controlar la cantidad de energía entregada al motor de ventilador y, por lo tanto, la velocidad del motor de ventilador. Aunque el control de velocidad del ventilador de la técnica anterior 10 proporciona un control de velocidad completamente variable de manera sustancial, un problema con este circuito es que, cuando un motor de ventilador es controlado mediante la técnica de ángulo de fase, ruidos mecánicos y acústicos se pueden generar en el motor del ventilador, lo cual puede resultar molesto y puede distraer. La figura IB muestra las formas de onda del voltaje de línea de entrada AC 30A, el voltaje del motor 30B aplicado al motor de ventilador por el interruptor, y la corriente del motor 30C a través del motor de ventilador. Tal como se puede observar a partir de las formas de onda, el voltaje del motor 30B tiene discontinuidades grandes, y por lo tanto armónicas, lo cual ocasiona que se genere ruido y vibración en el motor del ventilador. La figura 1C muestra formas de onda adicionales que exhiben el voltaje de línea 32A y las corrientes del motor 32B, 32C a través del motor del ventilador para operación de velocidad casi alta y velocidad casi baja en las gráficas {a} y { b} , y el voltaje de línea 32A y los voltajes del motor 32D, 32E a través del motor del ventilador en las gráficas {c} y { } para operación de velocidad casi baja y velocidad casi alta. Las armónicas en los voltajes del motor 32D, 32E entregadas al motor de ventilador ocasionan cantidades importantes de ruido y vibración de distracción, y por consiguiente, es deseable una mejor solución. La figura ID muestra otro enfoque de la técnica anterior que proporciona un control de velocidad de ventilador silencioso 20. En este enfoque, se proporciona una pluralidad de interruptores de semiconductor 21, 22, 23, por ejemplo tiristores triodos bidireccionales. Se proporciona un capacitor 24 en serie con un interruptor 22 y un capacitor 25 se proporciona en serie con el interruptor 23. Diferentes valores de capacitancia en serie con el motor de ventilador inducen diferentes velocidades de ventilador. Al controlar los interruptores 22, 23 para insertar y remover de manera selectiva los capacitores 24, 25 del circuito, se proporciona una pluralidad de velocidades de ventilador discretas. Si el interruptor 21 de la figura ID es conductor, el motor de ventilador 18 opera a plena velocidad. Si cualquiera de los interruptores 22 o 23, o combinaciones de estos interruptores, son conductores, dependiendo de las capacitancias en serie, el motor de ventilador operará a cierta velocidad más lenta. Por consiguiente, con el circuito que se muestra en la figura ID, se pueden obtener hasta cuatro velocidades discretas diferentes. Sin embargo, esto no permite un control de velocidad continuo, o completamente o casi completamente variable. Se pueden proporcionar capacitores e interruptores adicionales para obtener niveles de velocidad más discretos, pero la circuitería se vuelve innecesariamente compleja, grande, y costosa conforme se agregan más componentes. Un ejemplo de este tipo de control de velocidad se describe en la Patente E.U.A. No. 4,992,709, emitida el 12 de febrero de 1991, titulada CIRCUITO DE CONMUTACIÓN QUE PROPORCIONA UN CIRCUITO DE CAÍDA DE VOLTAJE EN SERIE DE CAPACITANCIA AJUSTABLE CON UN MOTOR DE CABALLOS DE FUERZA FRACCIONAL, cuya descripción se incorpora en la presente invención por referencia. Sin embargo, el sistema que se muestra en la figura ID proporciona un control de velocidad de ventilador silencioso. La figura ÍE muestra formas de onda del voltaje de línea 34A, el voltaje del motor 34B, y la corriente del motor 34C para el control de velocidad del ventilador de la técnica anterior 20 de la figura ID. Como se puede observar, las formas de onda son escasamente continuas y suaves, careciendo de las discontinuidades del sistema que se muestra en la figura ÍA. Debido a que los interruptores 21, 22, 23, están encendidos o apagados, y no operan de acuerdo con la técnica de corte de fase del control de velocidad de ventilador 10 de la figura ÍA, las formas de onda no muestran discontinuidades. La figura ÍF muestra formas de .onda adicionales del voltaje de línea 36A y las corrientes de motor 36B, 36C a través del motor de ventilador en las gráficas {a} y { b} , y el voltaje de línea 36A y los voltajes de motor 36D, 36E a través del motor del ventilador en las gráficas {c} y {d} para operación de velocidad casi baja y casi alta. Aunque este sistema de la técnica anterior proporciona un control de velocidad de ventilador silencioso, éste sufre del inconveniente de que las velocidades no pueden ser controladas de manera continua o de manera completamente variable o incluso casi completamente variable. .Por consiguiente, es deseable una solución más satisfactoria, la cual proporciona las ventajas del control de velocidad de ventilador silencioso así como un control de velocidad casi completamente variable, e incluso control de velocidad de ventilador casi continuamente variable.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN La presente invención proporciona un aparato para controlar la velocidad de un motor AC que va a ser accionado desde un voltaje de suministro AC proveniente de una fuente AC, que comprende un capacitor en serie adaptado para que se acople en serie entre la fuente AC y el motor AC, un interruptor en derivación adaptado para que se acople en conexión eléctrica paralela a través del motor AC, y un circuito de control para controlar el tiempo de conducción del interruptor. El interruptor en derivación tiene una entrada de control que está acoplada al circuito de control, para controlar el interruptor en derivación. La velocidad del motor se puede controlar dependiendo del tiempo de conducción del interruptor en derivación. De acuerdo con una modalidad preferida de la presente invención, el circuito de control opera para generar una señal modulada a lo ancho del impulso para controlar el tiempo de conducción del interruptor en derivación. La señal modulada a lo ancho del impulso tiene un ciclo de trabajo variable para modificar la velocidad del motor. De acuerdo con otra modalidad, el aparato comprende un interruptor de desviación acoplado en conexión eléctrica parale-la a través del capacitor en serie para desviar el capacitor en serie a fin de lograr una operación de velocidad sustancialmente plena del motor AC. La invención además proporciona un método para controlar la velocidad de un motor AC accionado desde un voltaje de suministro AC proveniente de una fuente AC, que comprende los pasos de acoplar un primer capacitor en conexión eléctrica en serie entre la fuente AC y el motor AC; acoplar un primer interruptor en conexión eléctrica en derivación a través del motor AC, el interruptor tiene una entrada de control para controlar el tiempo de conducción del primer interruptor; y controlar el tiempo de conducción del interruptor para modificar la velocidad del motor. La velocidad del motor se puede controlar dependiendo del tiempo de conducción del interruptor en derivación. De acuerdo con una modalidad preferida, el paso para controlar comprende generar una señal modulada a lo ancho del impulso para controlar el tiempo de conducción del primer interruptor. La señal modulada a lo ancho del impulso tiene un ciclo de trabajo variable para modificar la velocidad del motor. De acuerdo con otra modalidad, el método además comprende los pasos de acoplar un segundo interruptor en conexión eléctrica paralela con el primer capacitor; y cerrar el segundo interruptor para desviar el primer capacitor a fin de lograr una operación de velocidad sustancialmente plena del motor. Otras características y ventajas de la presente invención serán aparentes a partir de la siguiente descripción detallada, la cual se refiere a las figuras anexas .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Ahora se describirá la invención con mayor detalle en la siguiente descripción detallada con referencia a las figuras en donde: La figura ÍA muestra un control de velocidad de ventilador variable de la técnica anterior; La figura IB muestra formas de onda para el circuito de la .figura ÍA; La figura 1C muestra formas de onda adicionales para el circuito de la figura ÍA; La figura ID muestra otro control de velocidad de ventilador de la técnica anterior; La figura ÍE muestra formas de onda para el circuito de la figura ID; La figura ÍF muestra formas de onda adicionales para el circuito de la figura ID; La figura 2 muestra un diagrama de circuito simplificado de un circuito de acuerdo con la presente invención para proporcionar un control de velocidad de ventilador silencioso continuamente variable; La figura 3A es un diagrama en bloques simplificado de un circuito de control del circuito de la figura 2; La figura 3B es un diagrama de flujo de un bucle de control de un microprocesador del circuito de control de la figura 3A; La figura 4 muestra formas de onda en el circuito de la figura 2; La figura 5A es un diagrama de circuito que explica la operación del circuito de la figura 2 cuando el interruptor está apagado; La figura 5B es un diagrama adicional para auxiliar y explicar la operación del circuito de la figura 2 cuando el interruptor está encendido; La figura 6A muestra una forma de onda de voltaje de motor del circuito de la figura 2; La figura 6B muestra una gráfica de mediciones de sonido tomadas de .un motor de ventilador operado por el control de velocidad de ventilador de la presente invención de la figura 2, el control de velocidad de ventilador de la técnica anterior de la figura ÍA, y el control de velocidad de ventilador de la técnica anterior de la figura ID; La figura 6C muestra los valores numéricos de las mediciones de nivel de ruido de la gráfica de la figura 6B; La figura 7 muestra formas de onda adicionales del circuito de la figura 2; La figura 8 muestra un diagrama de circuito simplificado de una segunda modalidad de un circuito de acuerdo con la presente invención; La figura 9 muestra un diagrama de circuito simplificado de una tercera modalidad de un circuito de acuerdo con la presente invención; y La figura 10 muestra un gráfica del modo de operación del control de velocidad del ventilador de la figura 9 contra la velocidad deseada del motor de ventilador.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN El sumario anterior, así como la siguiente descripción detallada de las modalidades preferidas, se entenderá mejor cuando se lea en conjunto con las figuras anexas. Para propósito de ilustración de la invención, en las figuras se muestra una modalidad que actualmente es la preferida, en donde números similares representan partes similares en las diversas vistas de las figuras, , quedando entendido, sin embargo, que la invención no se limita a los métodos e instrumentalidades especificas aquí descritas. Volviendo ahora a las figuras, la figura 2 muestra un diagrama en bloques simplificado de un control de velocidad de ventilador silencioso continuamente variable 50 de acuerdo con la presente invención. El control de velocidad del ventilador 50 tiene una terminal directa 44, la cual está acoplada a una fuente de energía AC 40, y una terminal de carga 46, la cual está conectada a un motor de ventilador 42. El motor de ventilador 42 puede ser un motor cepillado o sin escobillas, aunque por lo regular, será un motor de inducción o sincrónico sin escobillas. El control de velocidad de ventilador 50 además incluye una terminal neutral 48, la cual está conectada tanto a la fuente de energía AC 40 como al motor de ventilador 42. La fuente de energía AC 40 proporciona energía a través de un capacitor en serie 52 al motor de ventilador 42. El capacitor en serie 52 de preferencia tiene una capacitancia de 18µF. Acomodado a través del motor de ventilador 42 se encuentra un interruptor en derivación 54 el cual puede ser un dispositivo semiconductor conveniente, por ejemplo, dos transistores de efecto en campo conectados antiserie (FET) que funcionan como un interruptor bidireccional, o un FET sencillo en un puente rectificador, que también funciona como un interruptor bidireccional. Un circuito de control 56 controla el tiempo de conducción del interruptor 54 proporcionando una señal impulsada a la compuerta del interruptor 54. En particular, el interruptor 54 es accionado por una señal modulada a lo ancho del impulso (PWM) para controlar el tiempo de conducción. Cuando el interruptor 54 es conductor, el motor de ventilador 42 es esencialmente acortado, de manera que sustancialmente no existe voltaje a través del motor de ventilador. Cuando el interruptor no es conductor, una porción del voltaje de suministro se proporciona al motor de ventilador 42 a través del capacitor 52. El efecto es modificar la energía proporciona al motor de ventilador 42 dependiendo del tiempo de conducción del interruptor 54. Cuando el interruptor 54 está encendido de manera continua, no se entrega energía al motor de ventilador 42 y la velocidad disminuirá o el motor de ventilador permanecerá en modo inactivo. Conforme se reduce el tiempo de conducción del interruptor 54, se incrementa la velocidad del ventilador. Cuando el interruptor 54 no es conductor en todo momento, es decir, durante todo un ciclo de línea AC, el motor de ventilador alcanza su máxima velocidad conforme lo permitido a través del capacitor conectado en serie 52. A fin de lograr una plena operación de velocidad, opcionalmente se proporciona un interruptor de desviación 58 en paralelo con el capacitor 52 para derivar el capacitor y así aplicar el voltaje de suministro AC completo al motor de ventilador 42. El interruptor de desviación opcional 58 también es controlado por el circuito de control 56. Además, tal como se explicará a continuación, debido a que la conmutación ocurre cuando el voltaje del motor es cero y las discontinuidades en la corriente del motor se reducen, la invención proporciona un control de velocidad de ventilador silencioso. La invención no sufre de las desventajas del circuito de la técnica anterior de la figura 1, el cual produce cantidades importantes de ruido acústico y no se limita a los escenarios de velocidad discreta del circuito de la técnica anterior de la figura ID. A fin de reducir el ruido acústico, se ha determinado que es preferible cerrar el interruptor 54 cuando el voltaje de motor VM a través del motor de ventilador es sustancialmente cero. El voltaje VM a través del motor de ventilador es monitoreado por un circuito de monitor VM 60. El circuito de monitor VM 60 de preferencia se ejecuta como un circuito de detección de cruce cero que identifica los cruces cero del voltaje de motor VM. Un cruce cero se define como el tiempo en el que el voltaje del motor cambia a través cero, es decir, cuando el voltaje del motor cambia de un valor positivo a cero o un valor negativo a cero, por ejemplo, el cruce cero 61A en la figura 4. El circuito de monitor VM 60 proporciona una señal representativa de los cruces cero del voltaje del motor VM al circuito de control 56. El estado inactivo de la señal de salida del circuito de monitor VM 60 es un nivel alto lógico. Cuando ocurre un cruce cero, el circuito de monitor VM 60 impulsará brevemente la señal de salida a un nivel bajo lógico. Cuando el voltaje de motor VM es cero (es decir, se ha detectado un cruce cero) , se cierra el interruptor en derivación 54. Se cree que esto tiene el efecto de reducir las fuerzas Lorentz que actúan para ocasionar que el motor de ventilador vibre y ocasione ruido acústico. Además, el cierre del interruptor en derivación 54 proporciona una ruta para que circule la corriente del motor, reduciendo así cualesquiera discontinuidades en la corriente del motor y ayudando a reducir al mínimo las fuerzas magnéticas que contribuyen a la operación ruidosa y a la vibración. También se ha determinado que una frecuencia conveniente para la señal modulada a lo ancho del impulso es dos veces la frecuencia de línea del voltaje fuente AC. Por consiguiente, para una frecuencia principal AC de 60 hertzios, la frecuencia de la señal modulada a lo ancho del impulso de preferencia es 120 Hz.

La figura 3A es un diagrama en bloques simplificado del circuito de control 56 del circuito de la figura 2. El circuito de control incluye un seguro 56A que tiene dos entradas bajas activas (es decir, una entrada de CONFIGURAR y una entrada de F.ECONFIGURAR) y una salida. La salida del seguro 56A proporciona la señal de control para el interruptor en derivación 54. La entrada de CONFIGURAR del seguro 56A es recibida desde circuito de monitor VM 60 y controla el encendido del interruptor en derivación 54. Un microprocesador 56B recibe la salida del seguro 56A y proporciona una señal de control a la entrada de RECONFIGURAR del seguro 56A a fin de controlar el apagado de interruptor en derivación 54. El microprocesador 56B también incluye una salida para controlar el interruptor de desviación 58. El microprocesador 56B puede ser cualquier dispositivo de procesamiento conveniente, tal como un dispositivo lógico programable (PLD) , un microcontrolador, o un circuito integrado de aplicación específica (ASIC) . Además, el microprocesador 56B recibe una entrada de velocidad de ventilador deseada 56C, la cual es utilizada por el microprocesador para determinar la longitud del tiempo de encendido del interruptor en derivación 54. La entrada de velocidad de ventilador deseada 56C puede ser recibida desde una interfaz de usuario del control de velocidad de ventilador 50 que comprende uno o más accionadores para permitir al usuario ajustar la velocidad del ventilador. La entrada de velocidad de ventilador deseada 56C también puede ser recibida desde un circuito de comunicación que permite que el control de velocidad de ventilador 50 reciba una señal representativa de una velocidad de ventilador deseada proveniente de otros dispositivos en un sistema de control. El circuito de comunicación podría estar acoplado a un enlace de comunicación, tal como, un enlace de comunicación serial cableado, un enlace de comunicación de portadora de línea de energía (PLC), o un enlace de comunicación inalámbrico, tal como un infrarrojo (IR) o un enlace de comunicación de radiofrecuencia (RF) . Un ejemplo de dicho sistema de control se describe con mayor detalle en la solicitud de Patente E.U.A. copendiente comúnmente asignada con número de expediente de abogado 05-12143-P2, presentada el mismo día que la presente solicitud, titulada SISTEMA PARA CONTROL DE LUCES Y MOTORES, cuya descripción se incorpora e? la presente invención por referencia. El circuito de control 56 además comprende un suministro de energía 56D para generar un voltaje DC para energizar el seguro 56A, un microprocesador 56B, y otra circuitería de bajo voltaje del control de velocidad del ventilador 50. El suministro de energía 56D está acoplado entre la terminal directa 44 y la terminal neutral 48 del control de velocidad del ventilador 50. Para producir la señal PWM para controlar el interruptor en derivación 54, el seguro 56A recibe las entradas desde el circuito de monitor VM 60 y el microprocesador 56B. De preferencia, el circuito de control 56 acciona el interruptor en derivación 54 en conducción en los cruces cero del voltaje del motor VM. Específicamente, cuando el seguro 56A recibe un impulso bajo (es decir, aproximadamente cero voltios) en la señal proveniente del circuito de monitor VM 60 en la entrada de CONFIGURAR, el seguro empujará la salida hacia arriba al nivel alto lógico (es decir, VCc) , impulsando así el interruptor en derivación 54 hacia la conducción. Dependiendo de la entrada de velocidad de ventilador deseada 56C, el microprocesador mantendrá la salida a la entrada de RECONFIGURAR del ^seguro 56A alta (es decir, a Vcc) durante un periodo de tiempo antes de accionar la entrada de RECONFIGURAR baja (es decir, aproximadamente cero voltios) . Por lo tanto, el seguro 56A impulsará la salida al interruptor en derivación 54 baja ocasionando que el interruptor en derivación deje de conducir. La figura 3B es un diagrama de flujo del bucle de control 300 del microprocesador 56A para controlar la velocidad del ventilador. La entrada de velocidad de ventilador deseada 56C es proporciona al bucle de control 300 en la entrada 302. En el paso 304, si la entrada de velocidad de ventilador deseada 302 es la velocidad plena, el interruptor de desviación 58 es cerrado en el paso 306 y el proceso regresa hasta que cambia la velocidad de ventilador deseada. Si la entrada de velocidad de ventilador deseada 302 no es la plena velocidad en el paso 304, el interruptor de desviación 58 es abierto en el paso 308. A continuación, un tiempo de encendido deseado, tENCENDiDO/ para el interruptor en derivación 54 se determina con base en la entrada de velocidad de ventilador deseada 302. La determinación del tiempo de encendido tENCENDiDo en el paso 310 se puede calcular de manera simple a través de una función lineal, por ejemplo, tENCENDiD? = ( 1-DFS) /fP M, en donde DFS es la velocidad de ventilador deseada como un porcentaje entre 0% y 100% y fPWM es la frecuencia de la señal PWM (es decir, 120 Hz) . En el paso 312, el microprocesador 56A espera hasta que la salida del seguro 56A cambia de un nivel bajo lógico a un nivel, alto lógico. Cuando la salida del seguro 56A en la entrada 314 es alte, se cierra el interruptor en derivación 54. En el paso 316, el microprocesador 56B espera a que la longitud del tiempo de encendido tENCENDiDo sea determinado en el paso 310. Después, el seguro 56A es reconfigurado mediante el accionamiento de la entrada RECONFIGURAR del seguro 56A bajo en el paso 318. Por consiguiente, la salida del seguro 56A cambiará a un nivel bajo lógico, ocasionando así que se abra el interruptor en derivación 54. Por último, el proceso regresa para ver si la velocidad de ventilador deseada ha cambiado en el paso 302. Aunque el circuito de control 56 incluye el seguro 56A como un dispositivo de hardware separado (como se muestra en la figura 3A) , la funcionalidad del seguro 56A alternativamente se podría ejecutar de manera completa mediante el software del microprocesador 56B. Por ejemplo, el microprocesador 56B podría recibir la señal desde el circuito de monitor VM 60 y controlar directamente el interruptor 54 en respuesta a la señal proveniente del circuito de monitor VM 60. La figura 4 es un diagrama de formas de onda del circuito de la figura 2, que muestra el voltaje de línea 62A, el voltaje de motor 62B, la corriente de motor 62C, y la señal de control de interruptor en derivación 62D. Aunque el voltaje de motor 62B y la corriente de motor 62C no son sinusoidales, el interruptor 54 se conmuta cuando el voltaje del motor es cero y la corriente del motor es substancialmente continua. Como se muestra en la figura 4, el interruptor 54 es operado a dos veces la frecuencia del voltaje de línea 62A. La figura 6A muestra detalles adicionales del voltaje del motor 62B en el circuito de la figura 2. Se muestra el tiempo ?T durante el cual el interruptor 54 está conduciendo. Cuando el interruptor 54 no está conduciendo, el voltaje es aplicado al motor de ventilador 42. La relación del periodo de tiempo ?T al periodo del voltaje del motor representa el ciclo de trabajo de la señal PWM. En la figura 6A, el ciclo de trabajo es de cierta forma menor que 50%. El ciclo de trabajo es modificado entre 0% y 100% a fin de controlar la velocidad del ventilador. A 0%, el motor de ventilador está a plena velocidad conforme a lo determinado por la capacitancia en serie 52. A 100%, el motor de ventilador está en modo de reposo. La figura 5A muestra un diagrama de circuito equivalente cuando el interruptor 54 está apagado mostrando que una corriente 64 fluye desde la fuente de voltaje AC 40 a través del capacitor 52 y a través del motor de ventilador inductivo 42. El motor de ventilador 42 se muestra modelado como un inductor LM en serie con una resistencia RM. La figura 5B muestra el circuito equivalente cuando el interruptor 54 es encendido. Una corriente 66 a través del capacitor circula en el bucle que comprende el capacitor 52, el interruptor 54, y la fuente de voltaje AC 40. Una corriente inductiva 68 continúa circulando a través de los flujos del motor de ventilador 42 y el interruptor cerrado 54 como se muestra en la figura 5B. Como se muestra en la figura 4, cuando el interruptor 54 está encendido, la corriente inductiva 68 en el motor de ventilador 42 comienza a disminuir y después invierte la polaridad y comienza a aumentar a una velocidad en caída hasta que el interruptor es nuevamente apagado. Como se muestra en la figura 4, el interruptor 54 es encendido cuando el voltaje del motor a través del motor de ventilador es de cero voltios, es decir, en el cruce cero de paso negativo de voltaje 61A y el cruce cero de paso positivo 61B. El valor del tiempo de encendido del interruptor, ?T, como se muestra en la figura 6A, controla la velocidad del ventilador. Mientras mayor es el tiempo de encendido ?T, menor es la velocidad. Como se muestra en la figura 5B, cuando el interruptor es cerrado, la corriente 68 circula a través del motor de ventilador. Por lo tanto, el control de velocidad de ventilador 50 proporciona un control silencioso continuamente variable del motor de ventilador 42. La figura 6B muestra un gráfica de mediciones de sonido tomadas en proximidad estrecha de un motor de ventilador que utiliza el control de velocidad de ventilador 50 de la presente invención de la figura 2, el control de velocidad del ventilador de la técnica anterior 10 de la figura ÍA, y el control de velocidad de ventilador de la técnica anterior 20 de la figura ID. El motor de ventilador se operó a diferentes niveles RPM (revoluciones por minuto) para cada control de velocidad de ventilador y se registraron las mediciones de sonido. Todas las pruebas se realizaron utilizando el mismo motor de ventilador con un nivel de ruido ambiental de 17dBA. Los valores numéricos de las mediciones de sonido de la figura 6B se muestran en la figura 6C. Tal como lo muestra la gráfica de la figura 6B, el control de velocidad de ventilador 50 ofrece una operación silenciosa que es muy similar al nivel de ruido producido por el control de velocidad de ventilador silencioso de la técnica anterior 20. En contraste, el control de velocidad del ventilador 50 proporciona control de velocidad de ventilador continuamente variable, mientras que el control de velocidad de ventilador de la técnica anterior 20 no proporciona operación continuamente variable del motor de ventilador. Además, el control de velocidad de ventilador continuamente variable 50 proporciona una operación mejorada respecto al nivel de ruido producido en comparación con el control de velocidad de ventilador continuamente variable de la técnica anterior 10. La figura 7 muestra formas de onda adicionales del circuito de la figura 2. En particular, el voltaje de línea 70A y la corriente de motor 70B a través del motor de ventilador para una operación de velocidad casi baja se muestran en la gráfica { a } . El voltaje de línea 70A y la corriente de motor 70C a través del motor de ventilador a una velocidad casi alta se muestran en la gráfica { b} . El voltaje de línea 70A y el voltaje del motor 70D a través del motor de ventilador para una operación de velocidad casi baja se muestran en la gráfica {c} y el voltaje de línea 70A y el voltaje del motor 70E a través del motor de ventilador para una operación de velocidad casi alta se muestra en la gráfica { }. Haciendo referencia a la figura 2, el interruptor en derivación 54., el interruptor de desviación 58, y el capacitor 52, así como el circuito de control 56, pueden estar contenidos dentro de un control montado en pared ubicado en una caja de unión. Debido a que está presente la línea neutral, un suministro de energía para el circuito de control 56 que opera el interruptor en derivación 54 y el interruptor de desviación 58 se puede proporcionar con energía desarrollada a partir del potencial a través de las líneas directa y neutral. Con frecuencia, un motor de ventilador tiene problemas .para iniciar cuando el motor de ventilador es encendido a una velocidad muy baja. Para superar este problema cuando se inicia el motor de ventilador 42 y la velocidad del ventilador de inicio deseada es baja, el circuito de control 56 en principio "inicia de forma rápida" el motor de ventilador 42 accionando el motor de ventilador 42 a la velocidad máxima mediante la apertura del interruptor en derivación 52 durante un periodo de tiempo predeterminado. Después de este periodo de tiempo, motor de ventilador 42 está operando a una velocidad aceptable y el circuito de control 56 entonces opera el interruptor en derivación 52 con la señal PWM y acciona el motor de ventilador a la velocidad inferior deseada. Alternativamente, el circuito de control 56 podría cerrar el interruptor de desviación 58 para proporcionar el voltaje de suministro AC completo al motor de ventilador durante un periodo de tiempo predeterminado, abrir el interruptor de desviación 58, y accionar el motor de ventilador a la velocidad inferior deseada. La figura 8 muestra un diagrama de circuito simplificado de un control de velocidad de ventilador 80 de acuerdo con una segunda modalidad de la presente invención. EL control de velocidad de ventilador 80 incluye un capacitor 82 en paralelo con el interruptor en derivación 54. Un interruptor de desviación 84 está conectado en serie con el capacitor 82 y está controlado por un circuito de control 86 para remover de manera selectiva el capacitor 82 del circuito del control de velocidad de ventilador 80. El capacitor 82 de preferencia tiene una capacitancia de 4.7µF. Cuando el interruptor 84 es abierto, el control de velocidad del ventilador 80 opera de la misma forma que el control de velocidad del ventilador 50 de la figura 2. Sin embargo, cuando el interruptor 84 está cerrado, el capacitor 82 es conectado en paralelo con el motor de ventilador 42 y proporciona una trayectoria para que corrientes de alta frecuencia fluyan a neutral. El capacitor 82 actúa como un filtro mediante la eliminación de componentes de alta frecuencia en el voltaje del motor a través del motor de ventilador 42, lo cual reduce adicionalmente el ruido audible creado por el motor de ventilador. Si se desea la plena velocidad del motor de ventilador 42, el interruptor 58 es cerrado para desviar el capacitor 52, y el interruptor 84 es abierto para remover el capacitor 82 del circuito del control de velocidad de ventilador 80. Debido a que cierta corriente fluirá a través del capacitor 82 cuando el interruptor 84 esté cerrado, el motor de ventilador 42 no puede correr a la velocidad máxima posible. Por lo tanto, El interruptor 84 es abierto cuando se desea la máxima velocidad del ventilador. La figura 9 muestra un diagrama de circuito simplificado de un control de velocidad del ventilador 90 de acuerdo con una tercera modalidad de la presente invención. El control de velocidad de ventilador 90 incluye una red de capacitor conmutado 91 en serie con las terminales 44, 46. La red de capacitor de interruptor 91 comprende una pluralidad de interruptores 92, 93, 94, 95, cada uno controlado por separado por un circuito de control 99. Tres de los interruptores 93, 94, 95 están conectados, cada uno, en serie con uno de los tres capacitores 96, 97, 98, respectivamente. El control de velocidad del ventilador 90 ofrece tres modos diferentes de operación para accionar el motor de ventilar 42. El primer modo de operación (referido aquí como modo de "reducción AC de 120 Hz") funciona en una manera similar al control de velocidad de ventilador 80 de la figura 8. En este modo, uno de los interruptores de la red de capacitor conmutado 91 (por ejemplo, el interruptor 93) es constantemente cerrado de manera que uno de los capacitores en serie (por ejemplo, el capacitor 96) está en serie con las terminales 44, 46. Aunque el circuito de control 99 mantiene el interruptor 84 cerrado, el circuito de control 99 proporciona una señal modulada a lo ancho del impulso, de preferencia a una frecuencia de aproximadamente 120 Hz, para control el interruptor en derivación 54 y la velocidad del motor de ventilador 42. Para proporcionar el pleno voltaje AC al motor de ventilador 42, el circuito de control 99 ocasiona que el interruptor 92 se cierre y que el interruptor 84 se abra. El segundo modo de operación (referido aquí como modo de "conmutación de capacitor estático") funciona en una manera similar al control de velocidad de ventilador de la técnica anterior 20 de la figura ID. En este modo, el interruptor en derivación 54 y el interruptor 84 permanecen abiertos y los interruptores 93, 94, 95 son abiertos o cerrados selectivamente para proporcionar pasos discretos en la velocidad de motor de ventilador 42. Además, el control de velocidad de ventilador 90 opera para correr en un tercer modo de operación. En este modo, los interruptores 84, 93, 94, 95 son mantenidos en el estado abierto y los interruptores 54 y 92 son controlados de manera activa por dos señales PWM. Los interruptores son alterados entre los estados no conductivo y conductivo en una forma complementaria de manera que cuando el interruptor 54 está encendido, el interruptor 92 está apagado, y viceversa. De esta forma, el motor de ventilador 42 es conectado a la fuente de voltaje AC 40, o está en cortocircuito permitiendo que la corriente a través del motor de ventilador 42 fluya a través del interruptor 54. Este modo de operación se describe con mayor detalle en la Patente E.U.A. No. 6,909,258, emitida el 21 de junio de 2005, titulada DISPOSITIVO DE CIRCUITO PARA EL ACCIONAMIENTO DE UNA CARGA ELÉCTRICA AC, cuya descripción se incorpora en la presente invención por referencia. En una modalidad preferida de la presente invención, el control de velocidad de ventilador 90 opera para cambiar alternativamente entre modos de operación a fin de proporcionar una operación de velocidad de ventilador silenciosa continuamente variable. El primer modo de operación (es decir, un modo de reducción AC de 120 Hz) ofrece una velocidad continuamente variable del motor de ventilador. Sin embargo, algunos motores de ventilador comercialmente disponibles no son tan silenciosos como se desea cuando se utiliza el primer modo de operación a velocidades superiores. El segundo modo de operación (es decir, modo de conmutación de capacitor estático) permite una operación bastante silenciosa a velocidades superiores, pero está limitada debido a gue el control no es continuamente variable. Sin embargo, una persona promedio por lo regular no observará la diferencia entre los pasos discretos en las velocidades de un motor de ventilador cuando el motor de ventilador está operando a velocidades altas. El control continuamente variable es más deseable como una característica del control de velocidad de ventilador 90 cuando el motor de ventilador está operando a velocidades bajas y cambios en la velocidad de ventilador por lo regular son más notables por el ojo humano.

Por lo tanto, un método preferido de operación del control de velocidad de ventilador 90 es utilizar el primer modo de operación (es decir, modo de reducción AC 120 Hz) cuando el motor de ventilador está operando a velocidades bajas (por debajo de aproximadamente 40% de la velocidad de ventilador máxima) , y el segundo modo de operación (es decir, modo de conmutación de capacitor estático) cuando el motor de ventilador está operando a velocidades altas (por arriba de aproximadamente 40% de la velocidad de ventilador máxima) como se muestra en la figura 10. El circuito de control 99 opera para determinar la velocidad de ventilador deseada y ocasiona que el control de velocidad de ventilador 90 cambie entre los modos de operación. En la figura 10, el umbral para cambiar los modos de operación es aproximadamente 40% de la velocidad del ventilador máxima, y se provee cierta histéresis. Debido a la amplia variación en las características de operación de los motores de ventilador, el umbral para cambiar los modos de operación de preferencia opera para ser alterado por un usuario a través de una interfaz de usuario del control de velocidad de ventilador 90 a fin de determinar el umbral óptimo para la aplicación específica. Aunque la presente invención se ha descrito con respecto al control de un motor de ventilador, el dispositivo de control de carga de la presente invención se puede utilizar para controlar cualquier tipo de motor u otro tipo de carga, tal como una lámpara incandescente. Aunque la presente invención se ha descrito en relación con modalidades particulares de la misma, muchas variaciones y modificaciones así como otros usos serán aparentes para aquellos expertos en la técnica. Por lo tanto, la presente invención no deberá quedar limitada por la descripción específica sino únicamente por las reivindicaciones anexas.

Claims

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito el presente invento, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama como prioridad lo contenido en las siguientes: REIVINDICACIONES

1.- Un aparato para controlar la velocidad de un motor AC que va a ser accionado desde un voltaje de suministro AC proveniente de una fuente AC, que comprende: un capacitor en serie adaptado para ser acoplado en conexión eléctrica en serie entre la fuente AC y el motor AC; un interruptor en derivación adaptado para ser acoplado en conexión eléctrica en derivación a través del motor AC, el interruptor tiene una entrada de control; y un circuito de control acoplado a la entrada de control para controlar el tiempo de conducción del interruptor en derivación; en donde la velocidad del motor se puede controlar dependiendo del tiempo de conducción del interruptor en derivación.

2. - El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el circuito de control opera para generar una señal modulada a lo ancho del impulso para controlar el tiempo de conducción del interruptor en derivación, la señal modulada a lo ancho del impulso tiene un ciclo de trabajo variable para modificar la velocidad del motor.

3.- El aparato de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el ciclo de trabajo variable es continuamente variable.

4. - El aparato de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el ciclo de trabajo variable es discretamente variable.

5.- El aparato de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque circuito de control opera cuando se inicia el motor para abrir el interruptor en derivación durante un periodo de tiempo predeterminado antes de controlar el interruptor en derivación con la señal modulada a lo ancho del impulso.

6.- El aparato de conformidad con la reivindicación 2, que además comprende: un interruptor de desviación acoplado en conexión eléctrica paralela a través del capacitor en serie para desviar el capacitor en serie a fin de lograr una operación de velocidad sustancialmente completa del motor; en donde el circuito de control opera cuando se inicia el motor para cerrar el interruptor de desviación durante un periodo de tiempo predeterminado antes de abrir el interruptor de desviación y controlar el interruptor en derivación con. la señal modulada a lo ancho del impulso. 1 . - El aparato de conformidad con la reivindicación 2, que además comprende: un primer interruptor en serie acoplado en conexión eléctrica en serie con el capacitor en serie, el primer interruptor en serie tiene una entrada de control; un segundo capacitor en serie adaptado para ser acoplado en conexión eléctrica en serie entre la fuente AC y el motor AC; y. un segundo interruptor en serie acoplado en conexión eléctrica en serie con el segundo capacitor en serie, el segundo interruptor en serie tiene una entrada de control; en donde el circuito de control opera para mantener el interruptor en derivación no conductor mientras se controla de forma discreta el primer interruptor en serie y el segundo interruptor en serie, de manera que la velocidad del motor es controlada de manera discreta dependiendo de los estados de conducción del primer interruptor en serie y el segundo interruptor en serie. 8.- El aparato de conformidad con la reivindicación 6,... caracterizado porque el circuito de control opera para controlar el interruptor en derivación con una señal modulada a lo ancho del impulso cuando una velocidad de motor deseada está por encima de un umbral predeterminado y para controlar de manera discreta el primer interruptor en serie y el segundo interruptor en serie cuando la velocidad de motor deseada está por debajo del umbral predeterminado. 9.- El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el circuito de control controla el tiempo de conducción del interruptor en derivación a una frecuencia que depende de la frecuencia de línea del voltaje de suministro AC . 10.- El aparato de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el circuito de control controla el tiempo de conducción del interruptor en derivación a una frecuencia que es dos veces la frecuencia de línea del voltaje de suministro AC . 11.- El aparato de conformidad con la reivindicación 1, que además comprende: un circuito de monitoreo de voltaje del motor adaptado para que sea acoplado al motor para monitorear un voltaje a través del motor; el circuito de monitoreo de voltaje de motor tiene una salida acoplada al circuito de control . 12.- El aparato de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el circuito de control ocasiona que el interruptor en derivación se vuelva conductor cuando el voltaje a través del motor es aproximadamente de cero voltios. 13.- El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el interruptor en derivación comprende un dispositivo semiconductor. 14.- El aparato de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque el dispositivo semiconductor comprende dos transistores de efecto en campo en conexión antiserial. 15.- El aparato de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque el dispositivo semiconductor comprende un transistor de efecto en campo en un puente rectificador. 16.- El aparato de conformidad con la reivindicación 1, que además comprende un interruptor de desviación acoplado en conexión eléctrica paralela a través del capacitor en serie para desviar el capacitor en serie a fin de lograr una operación de velocidad sustancialmente completa del motor. 1

7.- El aparato de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque el interruptor de desviación comprende un dispositivo semiconductor. 1

8.- El aparato de conformidad con la reivindicación 1, que además comprende: un capacitor en derivación adaptado para ser acoplado en conexión eléctrica en derivación a través del motor AC. 1

9.- Un método para controlar la velocidad de un motor AC accionado desde un voltaje de suministro AC de una fuente AC, que comprende los pasos de: acoplar un primer capacitor en conexión eléctrica en serie entre la fuente AC y el motor AC; acoplar un primer interruptor en conexión eléctrica en derivación a través del motor AC, el primer interruptor tiene una entrada de control para controlar el tiempo de conducción del primer interruptor; y controlar el tiempo de conducción del primer interruptor para modificar la velocidad del motor; en donde la velocidad del motor se puede controlar dependiendo del tiempo de conducción del primer interruptor . 20.- El método de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque el paso de controlar comprende generar una señal modulada a lo ancho del impulso para controlar el tiempo de conducción del primer interruptor, la señal modulada a lo ancho del impulso tiene una ciclo de trabajo variable para modificar la velocidad del motor. 21.- El método de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque el ciclo de trabajo variable es continuamente variable. 22.- El método de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque el ciclo de trabajo variable es discretamente variable. 23.- El método de conformidad con la reivindicación 20, que además comprende los pasos de: abrir el primer interruptor durante una cantidad de tiempo predeterminada cuando se inicia el motor a fin de lograr la operación de velocidad máxima del motor; y controlar el primer interruptor con la señal modulada a lo ancho del impulso después que ha transcurrido la cantidad de tiempo predeterminada. 24.- El método de conformidad con la reivindicación 20, que además comprende los pasos de: acoplar un segundo interruptor en conexión eléctrica paralela con el primer capacitor; cerrar el segundo interruptor durante una cantidad de tiempo predeterminada cuando se inicia el motor a fin de desviar el primer capacitor para lograr una operación de velocidad sustancialmente completa del motor; abrir el segundo interruptor después que ha transcurrido la cantidad de tiempo predeterminada; y controlar el primer interruptor con la señal modulada a lo ancho del impulso después que ha transcurrido la cantidad de tiempo predeterminada. 25.- El método de conformidad con la reivindicación 20, que además comprende los pasos de: acoplar un segundo interruptor en conexión eléctrica en serie con el primer capacitor, el segundo interruptor tiene una entrada de control; acoplar un segundo capacitor en conexión eléctrica en serie entre la fuente AC y el motor AC; y acoplar un tercer interruptor en conexión eléctrica en serie con el segundo capacitor, el tercer interruptor tiene una entrada de control; y controlar de forma discreta el segundo interruptor y el tercer interruptor mientras se mantiene el primer interruptor en un estado no conductor; en donde la velocidad del motor es controlada de manera discreta dependiendo de los estados de conducción del segundo interruptor y el tercer interruptor. 26.- El método de conformidad con la reivindicación 25, que además comprende los pasos de: controlar el primer interruptor con una señal modulada a lo ancho del impulso cuando una velocidad de motor deseada está por encima de un umbral predeterminado; y controlar de manera discreta el segundo interruptor y el tercer interruptor cuando la velocidad de motor deseada está por debajo del umbral predeterminado. 27.- El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque el paso de controlar comprende controlar el tiempo de conducción del primer interruptor a una frecuencia que depende de la frecuencia de línea del voltaje de suministro AC . 28.- El método de conformidad con la reivindicación 27, caracterizado porque el paso de controlar comprende controlar el tiempo de conducción del primer interruptor a una frecuencia que es dos veces la frecuencia de línea del voltaje de suministro AC. 29.- El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque el paso de controlar comprende monitorear un voltaje a través del motor. 30.- El método de conformidad con la reivindicación 29, caracterizado porque el paso de controlar además comprende ocasionar que el primer interruptor se vuelva conductor cuando el voltaje a través del motor es aproximadamente de cero voltios. 31.- El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque el primer interruptor comprende un dispositivo semiconductor. 32. - El método de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado porque el dispositivo semiconductor comprende dos transistores de efecto en campo en conexión antiserial. 33.- El método de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado porque el dispositivo semiconductor comprende un transistor de efecto en campo en un puente rectificador. 34.- El método de conformidad con la reivindicación 19, que además comprende los pasos de: acoplar un segundo interruptor en conexión eléctrica paralela con el primer capacitor; y cerrar el segundo interruptor para desviar el primer capacitor a fin de lograr una operación de velocidad sustancialmente completa del motor. 35.- El método de conformidad con la reivindicación 34, caracterizado porque el interruptor de desviación comprende un dispositivo semiconductor. 36.- El método de conformidad con la reivindicación 19, que además comprende los paso de: acoplar un segundo capacitor en conexión eléctrica en derivación a través del motor AC.